과학자들이 슈퍼지구 형성의 첫 번째 구성 요소를 발견했습니다.

행성 형성의 주요 광물인 산화마그네슘이 '슈퍼지구' 외계 행성 개발에서 가장 먼저 응고될 수 있으며 극한 조건에서의 행동이 행성 진화에 큰 영향을 미치는 것으로 새로운 연구에서 밝혀졌습니다.

과학자들은 극도로 극단적인 조건에서 산화마그네슘 원자가 어떻게 변형되고 녹는지 처음으로 관찰했으며, 이를 통해 행성 형성에 영향을 미치는 것으로 알려진 지구 맨틀에서 발견되는 이 핵심 광물에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다.

암석이 많은 행성의 맨틀 깊숙한 곳에서 발견되는 일종의 열과 압력에 금속의 작은 결정을 가하는 고에너지 레이저 실험은 이 화합물이 마그마 바다에서 응고되어 “슈퍼 지구”를 형성하는 최초의 금속일 수 있음을 시사합니다. 외계 행성.

이번 연구를 주도한 존스홉킨스대학교 지구행성과학 조교수인 존 윅스(John Weeks)는 “산화마그네슘은 떠오르는 슈퍼지구의 열역학을 제어하는 ​​가장 중요한 고체일 수 있다”고 말했다. “만약 녹는점이 매우 높다면 뜨겁고 암석이 많은 행성이 냉각되기 시작하고 내부가 핵과 맨틀로 분리될 때 결정화되는 첫 번째 고체가 될 것입니다.”

젊은 행성에 대한 시사점

그 결과는 최근에 발표되었습니다. 과학의 발전.

그들은 산화마그네슘이 한 형태에서 다른 형태로 전이하는 방식이 젊은 행성이 눈덩이가 될지, 녹은 암석이 될지, 바다나 대기가 될지, 또는 이러한 특징이 결합될지 여부를 제어하는 ​​요인에 중요한 영향을 미칠 수 있다고 지적합니다. .

“이 물질이 맨틀의 큰 구성 요소가 될 슈퍼지구에서는 그 변형이 내부에서 열이 얼마나 빨리 이동하는지에 크게 기여할 것이며, 이는 내부와 지구의 나머지 부분이 어떻게 움직이는지를 제어하게 될 것입니다.” Weeks는 “행성은 시간이 지남에 따라 모양이 바뀌고 변형됩니다.”라고 말했습니다. “우리는 이것을 이 행성의 내부에 대한 프록시로 생각할 수 있습니다. 왜냐하면 그것이 암석 행성의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 변형을 제어하는 ​​물질이기 때문입니다.”

레이저 에너지 연구실 챔버 내부에서 충격 압축 산화마그네슘(MgO) 레이저 실험을 하는 모습. 고에너지 레이저는 MgO 샘플을 지구 중심에서 발견되는 압력을 초과하는 압력으로 압축하는 데 사용됩니다. 2차 X선 소스는 MgO의 결정 구조를 탐색하는 데 사용됩니다. 가장 밝은 영역은 나노초 단위의 플라즈마 방출로 빛납니다. 출처: June Weeks/Johns Hopkins University

지구보다 크지만 거인보다는 작습니다. 해왕성 또는 천왕성슈퍼지구가 주요 표적이다 외계행성 은하계의 다른 태양계에서 흔히 발견되기 때문에 검색됩니다. 이들 행성의 구성은 가스, 얼음, 물에 따라 다양할 수 있지만 초대형 암석 행성에는 다량의 산화마그네슘이 포함되어 있어 행성의 자기장, 화산 활동 및 기타 주요 지구 물리학에도 영향을 미칠 수 있다고 Weeks는 말했습니다. 땅. .

이 광물이 행성 형성 중에 견딜 수 있는 극한 조건을 모방하기 위해 Wick 팀은 로체스터 대학 레이저 ​​에너지 연구소의 Omega-EP 레이저 시설을 사용하여 작은 샘플을 매우 높은 압력에 노출했습니다. 과학자들은 또한 엑스레이를 이미지화하고 그 광선이 결정에서 반사되는 방식을 기록하여 증가하는 압력에 반응하여 원자가 어떻게 재배열되는지 추적했으며 특히 고체에서 액체로 변하는 지점을 기록했습니다.

극도의 힘으로 누르면 산화마그네슘과 같은 재료의 원자 배열이 바뀌어 분쇄 압력을 유지합니다. 이것이 압력이 증가함에 따라 미네랄이 식탁용 소금과 유사한 암염 “상”에서 염화세슘이라는 또 다른 소금과 같은 다른 형태로 변하는 이유입니다. 이로 인해 금속의 점도에 영향을 줄 수 있는 변화가 발생하고, 노화에 따라 지구에 미치는 영향도 커진다고 Weeks는 말했습니다.

고압에서의 산화마그네슘의 안정성

연구팀의 결과는 산화마그네슘이 430~500기가파스칼의 압력과 태양 표면 온도의 거의 두 배인 약 9,700K의 온도에서 두 단계로 존재할 수 있음을 보여줍니다. 또한 실험에 따르면 금속이 완전히 녹기 전에 견딜 수 있는 최고 압력은 최대 600GPa에 달하며, 이는 가장 깊은 바다 해구에서 느낄 수 있는 압력의 약 600배에 해당합니다.

Weeks는 “산화마그네슘은 다른 어떤 물질이나 광물보다 훨씬 높은 온도에서 녹습니다. 다이아몬드는 가장 단단한 물질일 수 있지만 이것이 마지막으로 녹는 것입니다.”라고 Weeks는 말했습니다. 산화마그네슘이 되는 것입니다.” “고체이지만 맨틀에 있는 다른 모든 것은 액체로 변합니다.”

Weeks는 이번 연구가 극한 압력 하에서 산화마그네슘의 안정성과 단순성을 보여주며 과학자들이 지구와 같은 암석 세계 내에서 이 광물과 다른 광물의 행동에 대한 주요 질문을 탐색하기 위해 보다 정확한 이론적 모델을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 말했습니다.

Weeks는 “이 연구는 산화 마그네슘에 대한 연애 편지입니다. 왜냐하면 놀랍게도 지구 중심 너머의 압력에서 우리가 알고 있는 가장 높은 녹는점을 갖고 있으며 여전히 일반 소금처럼 작용하기 때문입니다.”라고 Weeks는 말했습니다. “이 기록적인 압력과 온도에서도 그저 아름답고 단순한 소금일 뿐입니다.”

참고 자료: John K.의 “충격을 가한 산화마그네슘에서 B1에서 B2로의 전환” Weeks, 사란쉬 싱, 마리우스 멜롯, 데인 E. 프라탄도노, 페데리카 코파리, 마틴 J. 고먼, 지쉬안 이, J. 라이언 리그, 아니루드 하리, 존 H. 에거트, 토마스 S. 더피, 레이먼드 F. 스미스, 2024년 6월 7일, 과학의 발전.
도이: 10.1126/sciadv.adk0306

다른 저자로는 Saransh Singh, Marius Mellot 및 Dane E가 있습니다. 프라탄도노, 페데리카 코파리, 마틴 J. 고먼, 존 H. 에거트, 레이먼드 F. 로렌스 리버모어 국립 연구소의 Smith; 존스 홉킨스 대학의 Zixuan Yi와 Anirudh Hari; 로체스터 대학교의 J. Ryan Rigg; 그리고 토마스 S. 더피 프린스턴 대학교.

이 연구는 계약 번호 DE-NA0002154 및 DE-NA0002720에 따른 국립 레이저 사용자 시설 프로그램과 LLNL의 실험실 주도 연구 및 개발 프로그램(프로젝트 번호 15-ERD-012)을 통해 NNSA의 지원을 받았습니다. 이 작업은 미국 에너지부의 후원으로 로렌스 리버모어 국립 연구소가 계약 번호 DE-AC52-07NA27344에 따라 수행했습니다. 이 연구는 국가 레이저 사용자 시설 프로그램(계약 번호 DE-NA0002154 및 DE-NA0002720)과 LLNL의 실험실 주도 연구 개발 프로그램(프로젝트 번호 15-ERD-014, 17)을 통해 국가 핵 안보국의 지원을 받았습니다. ). -ERD-014 및 20-ERD-044).