Para ilmuwan telah menemukan bahan penyusun pertama dalam pembentukan Bumi super

Magnesium oksida, mineral kunci dalam pembentukan planet, mungkin menjadi mineral pertama yang memadat dalam pengembangan planet ekstrasurya “Bumi super”, yang perilakunya dalam kondisi ekstrem sangat memengaruhi evolusi planet, demikian ungkap sebuah studi baru.

Para ilmuwan untuk pertama kalinya mengamati bagaimana atom magnesium oksida berubah dan meleleh dalam kondisi yang sangat ekstrem, memberikan wawasan baru mengenai mineral penting yang ditemukan di mantel bumi yang diketahui mempengaruhi pembentukan planet.

Eksperimen laser berenergi tinggi – yang menjadikan kristal-kristal kecil logam tersebut terkena panas dan tekanan yang ditemukan jauh di dalam mantel planet berbatu – menunjukkan bahwa senyawa tersebut bisa menjadi logam pertama yang memadat dari lautan magma untuk membentuk “Bumi super”. planet ekstrasurya.

“Magnesium oksida bisa menjadi zat padat paling penting yang mengendalikan termodinamika kemunculan Bumi super,” kata John Weeks, asisten profesor ilmu bumi dan planet di Universitas Johns Hopkins yang memimpin penelitian tersebut. “Jika suhu lelehnya sangat tinggi, ia akan menjadi benda padat pertama yang mengkristal ketika planet panas dan berbatu mulai mendingin dan bagian dalamnya terpisah menjadi inti dan mantel.”

Implikasinya bagi planet-planet muda

Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di Kemajuan ilmu pengetahuan.

Mereka menunjukkan bahwa transisi magnesium oksida dari satu bentuk ke bentuk lainnya dapat mempunyai implikasi penting terhadap faktor-faktor yang menentukan apakah sebuah planet muda akan berbentuk bola salju atau batuan cair, membentuk lautan air atau atmosfer, atau memiliki beberapa kombinasi fitur-fitur ini. .

“Di Bumi super, di mana material ini akan menjadi komponen besar mantel, transformasinya akan berkontribusi besar terhadap seberapa cepat perpindahan panas di bagian dalam, yang akan mengontrol bagaimana bagian dalam dan bagian bumi lainnya bergerak.” “Planet ini terbentuk dan berubah bentuk seiring waktu,” kata Weeks. “Kita dapat menganggap ini sebagai gambaran interior planet-planet ini, karena itu adalah material yang mengontrol deformasi mereka, yang merupakan salah satu bahan penyusun terpenting dari planet berbatu.”

Pemandangan eksperimen laser magnesium oksida (MgO) yang dipadatkan dengan guncangan di dalam ruangan di Laboratorium Energi Laser. Laser berenergi tinggi digunakan untuk mengompresi sampel MgO hingga tekanan melebihi tekanan yang ditemukan di pusat bumi. Sumber sinar-X sekunder digunakan untuk mengeksplorasi struktur kristal MgO. Area paling terang bersinar dengan emisi plasma dalam skala waktu nanodetik. Kredit: June Weeks/Universitas Johns Hopkins

Lebih besar dari Bumi tetapi lebih kecil dari raksasa sejenisnya Neptunus atau UranusSuper-Earth adalah target utama planet ekstrasurya Pencarian karena umumnya ditemukan di antara tata surya lain di galaksi. Meskipun komposisi planet-planet ini dapat bervariasi dari gas hingga es atau air, planet-planet super berbatu diperkirakan mengandung magnesium oksida dalam jumlah besar, yang juga dapat mempengaruhi medan magnet, vulkanisme, dan geofisika penting lainnya, kata Weeks On tanah. .

Untuk meniru kondisi ekstrim yang dialami mineral ini selama pembentukan planet, tim Wick mengekspos sampel kecil ke tekanan yang sangat tinggi menggunakan fasilitas laser Omega-EP di Laboratorium Energi Laser Universitas Rochester. Para ilmuwan juga memotret sinar-X dan mencatat bagaimana sinar cahaya tersebut memantul dari kristal untuk melacak bagaimana atom-atomnya tersusun ulang sebagai respons terhadap peningkatan tekanan, khususnya mencatat titik di mana mereka berubah dari padat menjadi cair.

Ketika ditekan dengan kekuatan ekstrim, atom bahan seperti magnesium oksida mengubah susunannya untuk mempertahankan tekanan penghancuran. Inilah sebabnya mengapa mineral berubah dari “fase” garam batu yang menyerupai garam meja ke formasi berbeda seperti garam lain yang disebut sesium klorida seiring dengan meningkatnya tekanan. Hal ini mengarah pada transformasi yang dapat mempengaruhi viskositas logam dan dampaknya terhadap planet seiring bertambahnya usia, kata Weeks.

Stabilitas magnesium oksida pada tekanan tinggi

Hasil tim menunjukkan bahwa magnesium oksida dapat berada di kedua fase pada tekanan 430 hingga 500 gigaPascal dan suhu sekitar 9.700 K, hampir dua kali lipat suhu permukaan Matahari. Eksperimen juga menunjukkan bahwa tekanan tertinggi yang dapat ditahan oleh logam sebelum benar-benar meleleh mencapai 600 GPa, sekitar 600 kali tekanan yang dirasakan di palung laut terdalam.

“Magnesium oksida meleleh pada suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan zat atau mineral lainnya. Berlian mungkin merupakan bahan yang paling keras, tetapi bahan inilah yang akan meleleh paling lama,” kata Weeks menjadi magnesium oksida.” “Padat, sementara segala sesuatu yang ada di dalam mantel akan berubah menjadi cair.”

Weeks mengatakan penelitian ini menunjukkan stabilitas dan kesederhanaan magnesium oksida di bawah tekanan ekstrim dan dapat membantu para ilmuwan mengembangkan model teoritis yang lebih akurat untuk mengeksplorasi pertanyaan-pertanyaan kunci tentang perilaku mineral ini dan mineral lainnya di dunia berbatu seperti Bumi.

“Studi ini adalah surat cinta untuk magnesium oksida, karena secara mengejutkan ia memiliki titik leleh suhu tertinggi yang kita ketahui – pada tekanan di luar pusat bumi – dan masih berperilaku seperti garam biasa,” kata Weeks. “Itu hanyalah garam yang indah dan sederhana, bahkan pada tekanan dan suhu yang mencapai rekor ini.”

Referensi: “Transisi B1 ke B2 dalam Magnesium Oksida yang Ditekan Kejut” oleh John K. Minggu, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martin J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy, dan Raymond F. Smith, 7 Juni 2024, Kemajuan ilmu pengetahuan.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Penulis lainnya adalah Saransh Singh, Marius Mellot, dan Dane E. Fratandono, Federica Copari, dan Martin J. Gorman, dan John H. Eggert, dan Raymond F. Smith dari Laboratorium Nasional Lawrence Livermore; Zixuan Yi dan Anirudh Hari dari Universitas Johns Hopkins; J. Ryan Rigg dari Universitas Rochester; dan Thomas S. Duffy dari Universitas Princeton.

Penelitian ini didukung oleh NNSA melalui Program Fasilitas Pengguna Laser Nasional berdasarkan Kontrak No. DE-NA0002154 dan DE-NA0002720 serta Program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium di LLNL (Proyek No. 15-ERD-012). Pekerjaan ini dilakukan di bawah naungan Departemen Energi AS oleh Laboratorium Nasional Lawrence Livermore berdasarkan Kontrak No. DE-AC52-07NA27344. Penelitian ini didukung oleh Administrasi Keamanan Nuklir Nasional melalui Program Fasilitas Pengguna Laser Nasional (Kontrak No. DE-NA0002154 dan DE-NA0002720) dan Program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium di LLNL (Proyek No. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014, dan 20-ERD-044).