El estudio describe una nueva generación de experimentos con láser de alta potencia que proporcionan la primera ecuación de estado absoluta para el hierro en condiciones de presión y densidad extremas.
Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Livermore. Lawrence (LLNL), la Universidad de Princeton, la Universidad Johns Hopkins y la Universidad de Rochester (EE. UU.) Determinaron por primera vez experimentalmente la dependencia del radio de masa de un hipotético planeta metálico con las propiedades de un núcleo de supertierra. El trabajo de los científicos se presenta en la revista Nature Astronomy.
“El descubrimiento de una gran cantidad de planetas fuera del sistema solar fue uno de los descubrimientos científicos más emocionantes de esta generación. Estos estudios plantean cuestiones fundamentales. ¿Cuáles son los diferentes tipos de planetas extrasolares y cómo se forman y evolucionan? ¿Cuál de estos objetos puede mantener condiciones de vida aceptables en la superficie? Para abordar estos problemas, es necesario comprender la composición y la estructura interna de estos objetos”, dice Ray Smith, físico de LLNL y autor principal del estudio.
Los resultados pueden usarse para estimar la composición de grandes exoplanetas rocosos, formando la base para futuros modelos de profundidades planetarias, que, a su vez, pueden usarse para interpretar con mayor precisión los datos de observación de la misión espacial Kepler y ayudar a determinar planetas habitables.
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Se sabe que de más de 4.000 exoplanetas y candidatos para este rol, los más comunes son aquellos que exceden el radio de la Tierra en 1-4 veces. Tales mundos extrasolares no están representados en nuestro sistema. Esto indica que los planetas se están formando en una gama más amplia de condiciones físicas de lo que se pensaba anteriormente. Determinar la estructura interna y la composición de las súper Tierras es un desafío, pero fundamental para comprender la diversidad y evolución de los sistemas planetarios en nuestra galaxia.
Dado que la presión en el núcleo de un exoplaneta 5 veces la masa de la Tierra puede alcanzar los dos millones de atmósferas, un requisito fundamental para limitar la composición de un exoplaneta y su estructura interna es determinar con precisión las propiedades del material bajo presión extrema. El hierro es el componente dominante de los núcleos planetarios de planetas similares a la Tierra. Una comprensión detallada de las propiedades del hierro en las condiciones de la súper Tierra se convirtió en un desafío importante en la investigación del equipo de Ray Smith.
Los científicos han descrito una nueva generación de potentes experimentos con láser que proporcionan la primera ecuación de estado absoluta para el hierro bajo presión y densidad extremas en el núcleo de la súper Tierra. El método es adecuado para comprimir materia con un calentamiento mínimo hasta una presión de 1 terapascal (1 TPa = 10 millones de atmósferas).
Recreación del núcleo de la super-tierra en la cámara NIF vista por el artista. Crédito: Mark Meamber (NIF).
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Los experimentos se llevaron a cabo en el LLNL National Ignition Complex (NIF). El NIF, el láser más grande y poderoso del mundo, puede entregar hasta 2 megajulios de energía láser en 30 nanosegundos y proporcionar la potencia láser requerida y el control de la compresión del material hasta presiones de TPa. Los experimentos del equipo alcanzaron una presión máxima de 1,4 TPa, cuatro veces la presión de los resultados estáticos anteriores, que describían las condiciones básicas de una super-tierra 3-4 veces la masa de la Tierra.
“Los modelos de dispositivos planetarios internos basados en la descripción de materiales compuestos a presiones extremas normalmente extrapolan datos de baja presión y crean una amplia gama de posibles estados de material. Nuestros datos experimentales proporcionan una base sólida para determinar las propiedades de una super-tierra y un hipotético planeta metálico. Además, el estudio demuestra la capacidad de determinar ecuaciones de estado y otras propiedades termodinámicas clave de los materiales del núcleo planetario a presiones muy por encima de los métodos estáticos convencionales. Esta información es fundamental para comprender la estructura de los grandes exoplanetas rocosos y su evolución”, dice Ray Smith.
Los experimentos futuros de NIF ampliarán el estudio de materiales sometidos a varias presiones de TPa mediante la combinación de técnicas de difracción de rayos X de nanosegundos para determinar la evolución de la estructura cristalina en función de la presión.
Arina Vasilieva
