科学家发现了超级地球形成的第一个组成部分

一项新的研究表明，氧化镁是行星形成的关键矿物，可能是在形成“超级地球”系外行星时首先凝固的矿物，其在极端条件下的行为极大地影响了行星的演化。

科学家首次观察到氧化镁原子在极端条件下如何转变和熔化，为了解地幔中这种已知影响行星形成的关键矿物提供了新的见解。

高能激光实验——将微小的金属晶体置于岩石行星地幔深处的热量和压力下——表明这种化合物可能是第一种从岩浆海洋中凝固形成“超级地球”的金属系外行星。

领导这项研究的约翰·霍普金斯大学地球与行星科学助理教授约翰·威克斯说：“氧化镁可能是控制新兴超级地球热力学的最重要的固体。” “如果它的熔化温度非常高，那么当一颗炽热的岩石行星开始冷却并且其内部分离成核心和地幔时，它将是第一个结晶的固体。”

对年轻行星的影响

结果最近发表在 科学的进步。

他们指出，氧化镁从一种形式转变为另一种形式的方式可能对控制年轻行星是否会成为雪球或熔岩、发展水海洋或大气层或具有这些特征的某种组合的因素产生重要影响.

“在超级地球中，这种材料将成为地幔的重要组成部分，它的转变将极大地影响热量在内部移动的速度，从而控制内部和地球其他部分的移动方式。” “随着时间的推移，地球的形状和变形，”威克斯说。 “我们可以将其视为这些行星内部的代表，因为这将是控制其变形的材料，这是岩石行星最重要的组成部分之一。”

激光能量实验室室内冲击压实氧化镁 (MgO) 激光实验的视图。 高能激光用于将氧化镁样品压缩至超过地心压力的压力。 使用二次 X 射线源来探索 MgO 的晶体结构。 最亮的区域会在纳秒时间尺度上发出等离子体发射光。 图片来源：June Weeks/约翰霍普金斯大学

比地球大，但比巨星小 海王星 或者 天王星超级地球是主要目标 系外行星 搜索是因为它们在银河系的其他太阳系中很常见。 威克斯·安说，虽然这些行星的成分从气体到冰或水各不相同，但超级岩石行星预计含有大量氧化镁，这可能会影响行星的磁场、火山活动和其他关键的地球物理学。地面。 。

为了模拟这种矿物在行星形成过程中所承受的极端条件，Wick 的团队使用罗切斯特大学激光能量实验室的 Omega-EP 激光设备将小样本暴露在非常高的压力下。 科学家们还对 X 射线进行了成像，并记录了这些光线如何从晶体反射，以追踪它们的原子如何随着压力的增加而重新排列，特别是注意到它们从固体变成液体的点。

当受到极大的压力时，氧化镁等材料的原子会改变其排列以维持破碎压力。 这就是为什么随着压力的增加，矿物质会从类似于食盐的岩盐“相”转变为另一种称为氯化铯的盐的不同形态。 威克斯说，这会导致一种转变，这种转变会影响金属的粘度及其随着年龄的增长对地球的影响。

氧化镁在高压下的稳定性

研究小组的结果表明，氧化镁可以在 430 至 500 吉帕斯卡的压力和约 9,700 K 的温度（几乎是太阳表面温度的两倍）下以两种相存在。 实验还表明，这种金属在完全熔化之前所能承受的最高压力超过600 GPa，大约是在最深的海沟中感受到的压力的600倍。

“氧化镁的熔化温度比任何其他物质或矿物都高得多，钻石可能是最坚硬的材料，但它会熔化得最久，”威克斯说，“当谈到小行星上的极端材料时，它最有可能熔化。变成氧化镁。”“固体，而地幔中的其他物质都会变成液体。”

威克斯表示，这项研究展示了氧化镁在极端压力下的稳定性和简单性，可以帮助科学家开发更准确的理论模型，以探索有关这种矿物和地球等岩石世界中其他矿物行为的关键问题。

“这项研究是写给氧化镁的一封情书，因为令人惊讶的是，它具有我们所知道的最高温度熔点——在地心以外的压力下——而且仍然表现得像普通盐一样，”威克斯说。 “即使在如此创纪录的压力和温度下，这只是美丽而简单的盐。”

参考文献：“冲击压制氧化镁中 B1 到 B2 的转变”作者：John K. 威克斯、萨兰什·辛格、马吕斯·梅洛、戴恩·E. 弗拉坦多诺，费代丽卡·科帕里，马丁·J. 戈尔曼，易志轩，J. 瑞恩·里格、阿尼鲁德·哈里、约翰·H. 埃格特，托马斯·S. 达菲和雷蒙德·F. 史密斯，2024 年 6 月 7 日， 科学的进步。
DOI：10.1126/sciadv.adk0306

其他作者包括 Saransh Singh、Marius Mellot 和 Dane E. 弗拉坦多诺、费代丽卡·科帕里和马丁·J. 戈尔曼，约翰·H. 埃格特，雷蒙德·F. 劳伦斯利弗莫尔国家实验室的史密斯； 约翰·霍普金斯大学的 Zixuan Yi 和 Anirudh Hari； C。 罗切斯特大学的瑞安·里格（Ryan Rigg）； 和托马斯·S. 达菲来自 普林斯顿大学。

这项研究得到了 NNSA 通过合同号 DE-NA0002154 和 DE-NA0002720 下的国家激光用户设施计划以及 LLNL 实验室指导研究和开发计划（项目号 15-ERD-012）的支持。 这项工作是在美国能源部的赞助下由劳伦斯利弗莫尔国家实验室根据合同号 DE-AC52-07NA27344 进行的。 这项研究得到了国家核安全局通过国家激光用户设施计划（合同号 DE-NA0002154 和 DE-NA0002720）和 LLNL 实验室指导研究与开发计划（项目号 15-ERD-014, 17）的支持）。 -ERD-014 和 20-ERD-044）。