Dans un article publié aujourd'hui par Astronomie de la nature , une équipe de chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Université de Princeton, L'Université Johns Hopkins et l'Université de Rochester ont fourni la première relation masse-rayon basée sur des expériences pour une hypothétique planète de fer pur dans des conditions de noyau de super-Terre.

Cette découverte peut être utilisée pour évaluer l'espace de composition plausible pour les grands, exoplanètes rocheuses, formant la base des futurs modèles d'intérieurs planétaires, qui à son tour peut être utilisé pour interpréter plus précisément les données d'observation de la mission spatiale Kepler et aider à identifier les planètes adaptées à l'habitabilité.

"La découverte d'un grand nombre de planètes en dehors de notre système solaire a été l'une des découvertes scientifiques les plus passionnantes de cette génération, " a déclaré Ray Smith, un physicien au LLNL et auteur principal de la recherche. « Ces découvertes soulèvent des questions fondamentales. Quels sont les différents types de planètes extrasolaires et comment se forment-elles et évoluent-elles ? Lequel de ces objets peut potentiellement maintenir des conditions de surface propices à la vie ? Pour répondre à ces questions, il est nécessaire de comprendre la composition et la structure intérieure de ces objets."

Sur plus de 4, 000 planètes extrasolaires confirmées et candidates, ceux qui font une à quatre fois le rayon de la Terre sont maintenant connus pour être les plus abondants. Cette gamme de taille, qui s'étend entre la Terre et Neptune, n'est pas représenté dans notre propre système solaire, indiquant que les planètes se forment dans un plus large éventail de conditions physiques qu'on ne le pensait auparavant.

« Déterminer la structure intérieure et la composition de ces planètes super-terrestres est un défi, mais est crucial pour comprendre la diversité et l'évolution des systèmes planétaires au sein de notre galaxie, " dit Smith.

Comme les pressions au cœur même d'une planète de masse terrestre 5 × peuvent atteindre jusqu'à 2 millions d'atmosphères, une exigence fondamentale pour contraindre la composition exoplanétaire et la structure intérieure est une détermination précise des propriétés du matériau à des pressions extrêmes. Le fer (Fe) est un élément cosmochimiquement abondant et, comme constituant dominant des noyaux planétaires terrestres, est un matériau clé pour étudier les intérieurs de la super-Terre. Une compréhension détaillée des propriétés du fer dans les conditions de la super-Terre est un élément essentiel des expériences de l'équipe.

Les chercheurs décrivent une nouvelle génération d'expériences laser à haute puissance, qui utilisent des techniques de compression de rampe pour fournir la première équation absolue des mesures d'état de Fe dans les conditions extrêmes de pression et de densité trouvées dans les noyaux de la super-Terre. Une telle compression dynamique sans choc est particulièrement adaptée à la compression de matière avec un chauffage minimal à des pressions TPa (1 TPa =10 millions d'atmosphères).

Les expériences ont été menées au National Ignition Facility (NIF) du LLNL. NIF, le laser le plus grand et le plus énergétique au monde, peut fournir jusqu'à 2 mégajoules d'énergie laser sur 30 nanosecondes et fournit la puissance et le contrôle laser nécessaires pour compresser les matériaux à des pressions TPa. Les expériences de l'équipe ont atteint des pressions maximales de 1,4 TPa, pression quatre fois plus élevée que les résultats statiques précédents, représentant les conditions de base trouvées avec une planète de masse terrestre 3-4x.

"Modèles d'intérieur planétaires, qui s'appuient sur une description des matériaux constitutifs sous des pressions extrêmes, sont généralement basées sur des extrapolations de données de basse pression et produisent une large gamme d'états matériels prédites. Nos données expérimentales fournissent une base plus solide pour établir les propriétés d'une planète super-Terre avec une planète de fer pur, " Smith a dit. " De plus, notre étude démontre la capacité de détermination des équations d'état et d'autres propriétés thermodynamiques clés des matériaux du noyau planétaire à des pressions bien au-delà de celles des techniques statiques conventionnelles. De telles informations sont cruciales pour faire progresser notre compréhension de la structure et de la dynamique des grandes exoplanètes rocheuses et de leur évolution."

Les futures expériences sur NIF étendront l'étude des matériaux planétaires à plusieurs TPa tout en combinant des techniques de diffraction des rayons X nanosecondes pour déterminer l'évolution de la structure cristalline avec la pression.