Gezegenlerin içindeki bir mineral şaşırtıcı bir dersi ortaya koyuyor: Nasıl zorladığınız önemlidir

Dünya’nın mantosunun en derin bölgesinde, çekirdeğin hemen üzerinde, malzemenin çoğu magnezyum oksit kristallerinden oluşur. Süper Dünyalar olarak adlandırılan daha büyük kayalık ötegezegenlerde, alt mantodaki daha yüksek basınçlar, magnezyum oksidin yeni bir yüksek basınçlı kristal yapıya veya manyetik alan oluşturan metalik, elektriksel olarak iletken bir sıvıya dönüşmesine neden olabilir. Gaz devlerinin çekirdeklerinde de magnezyum oksit mevcut olabilir.

Gezegen türlerinin iç kısımlarını anlamak için araştırmacıların, magnezyum oksidin aşırı basınç ve sıcaklıklara nasıl tepki verdiğini tam olarak bilmeleri gerekiyor. Ancak yıllardır magnezyum oksit deneyleri teorilerin açıklayamadığı sonuçlar üretti.

Şimdi, neredeyse 12 yıllık bir araştırmanın ardından Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) ve Johns Hopkins Üniversitesi’nin yaptığı bir çalışma bu sorunu çözdü. Serinin üçüncüsü olan çalışma, şu adreste yayımlandı: Fiziksel İnceleme X.

“Bir gizemle başladık. Ölçümlerimiz neden magnezyum oksidin beklenen davranışıyla uyuşmuyordu?” dedi LLNL fizikçisi ve başyazarı Raymond Smith. “Bu atılım, kabul ettiğimiz bir varsayımı sorguladığımızda ortaya çıktı: Dünya’nın merkezindeki basınçların iki katına yaklaşan basınçlarda ve 10.000 Kelvin’in üzerindeki sıcaklıklarda, kristali sıkıştırma yönünün artık önemli olmaması gerekir.”

Sıkıştırmayı üç yönde test etme

Magnezyum oksidin atomları kübik bir kristal yapı oluşturur. Malzemeyi gezegenin iç kısımlarında var olan aşırı koşullara ulaştırmak için araştırmacılar, kristalin içinden bir şok dalgası gönderen güçlü bir lazer darbesiyle malzemeye vurdular. Bu çalışmaya kadar bilim camiası genel olarak küpün sıkışma yönünün, aşırı basınç ve sıcaklık seviyelerinde genel malzeme tepkisi açısından önemsiz olduğunu varsayıyordu.

Bu beklentinin test edilmesi, Rochester Üniversitesi Lazer Enerjisi Laboratuvarı’nda Omega EP lazer tesisini kullanan deneysel bir kampanyayı gerektirdi. Ekip üç yönde şok uyguladı: küp yüzüne dik, çapraz yüz boyunca ve küp boyunca çapraz.

Smith, “Gözlemlediklerimiz bizi şaşırttı” dedi. “Hiçbirimiz sıkıştırmanın yönünü değiştirmenin bu kadar karmaşık bir tepki vermesini beklemiyorduk. Ölçümlerin bize ne söylediğini anlamamız birkaç yıl sürdü ve analizimizin her bölümünde ilerleme kaydedildi.”

Daha yoğun bir kristale giden farklı yollar

Araştırmacılar, şok hızı ve sıcaklığın eş zamanlı optik ölçümlerini, atomların dizilişini gösteren X-ışını kırınımıyla birleştirdiler. Ölçümler birlikte, magnezyum oksidin daha yoğun bir kristal yapıya dönüşmesinin büyük ölçüde sıkıştırma yönüne bağlı olduğunu ortaya çıkardı.

LLNL bilim adamı ve yazar Saransh Soderlind, “Kristalin yönelimi, uygulanan sıkıştırmanın atomları yeni bir düzenlemeye nasıl yönlendirebileceğini belirler” dedi. “Kırınım desenleri bu farklı yolları tanımlamamıza yardımcı oldu. Bunları sıcaklık ölçümleriyle birleştirdiğimizde parçalar nihayet birbirine uymaya başladı.”

Küpün köşegeni boyunca magnezyum oksit beklendiği gibi dönüştü, düzenli yapılar arasında geçiş yaptı ve artan basınçla eridi. Diğer yönlerin yanı sıra, kanıtlar daha karmaşık bir sürece işaret ediyordu. Şok dalgasının ön tarafındaki ince, kısa ömürlü, düzensiz veya sıvı bir bölge, arkasında düzensiz kristal büyümesinin izini sürüyordu.

Farklılıklar, araştırmacıları şaşırtan daha önceki deneyleri açıklayabilir.

LLNL bilim adamı ve yazar Marius Millot, “Şok cephesindeki çok ince bölgenin optik ölçümlerini, arkasındaki çok daha geniş bir bölgeyi araştıran X ışınlarıyla birleştirerek, sıkıştırma yönünün nasıl bir fark yarattığını anlayabildik” dedi. “Bu bilgiler, teori ve deneysel gözlemler arasındaki önceki farklılıkları açıklamamıza olanak sağladı.”

Gezegenlerin iç mekanları için erime noktası

Farklı dönüşüm yollarına rağmen magnezyum oksit yaklaşık 572 gigapaskal ve 13.200 Kelvin’de tutarlı bir şekilde eridi. Bu, bilinen malzemeler arasında deneysel olarak kaydedilen en yüksek erime sıcaklığıdır.

Ortaya çıkan veriler gezegen iç mekan modelleri için bir kıyaslama sağlıyor.

Smith, “Böyle yüksek erime koşulları, Dünya’nın oluşumunu şekillendiren fiziksel süreçlere ilişkin anlayışımızı değiştirebilir” dedi. “Magnezyum oksit, ilk olarak Dünya’nın erken dönemlerindeki magma okyanuslarında kristalleşebilir ve aynı zamanda devasa bir çarpışma nedeniyle buharlaşan malzeme miktarını da etkileyebilir.”

Daha yüksek basınçlara yapılan tahminler, kristal magnezyum oksidin Jüpiter ve Satürn’ün çekirdeklerinin bazı kısımlarında kalabileceğini, daha sıcak dev gezegenlerin ise onu sıvı olarak içerebileceğini gösteriyor.

Johns Hopkins’in Dünya ve Gezegen Bilimleri Bölümü’nden profesör June Wicks, “Magnezyum oksit, gezegenlerin iç kısımlarını anlamamızda önemli bir bileşendir” dedi. “Bu deneyler onun nerede katı kalabileceğini ve nerede sıvı hale gelebileceğini belirlememize yardımcı oluyor; bu da gezegenlerin ısıyı nasıl taşıdıkları ve evrimleştikleri açısından önemli.”

Bu araştırma, aşırı koşullar altında magnezyum oksidin davranışını aydınlatıyor ve bulgular, stok modernizasyonu ve LLNL’nin ulusal güvenlik misyonuyla ilgili olanlar gibi diğer malzemeleri daha iyi anlamak için genişletilebilir.

Ekibin diğer üyeleri arasında, doktora araştırmasının bir parçası olarak katılan Johns Hopkins Üniversitesi’nden LLNL bilim adamları Jon Eggert ve Federica Coppari ile Zixuan Ye vardı.