El óxido de magnesio, un mineral clave en la formación planetaria, puede ser el primero en solidificarse en exoplanetas “supertierras” en desarrollo, y su comportamiento en condiciones extremas influye en gran medida en la evolución planetaria, revela un nuevo estudio.

Los científicos han observado por primera vez cómo los átomos de óxido de magnesio se transforman y se funden en condiciones extremadamente extremas, proporcionando nuevos conocimientos sobre este mineral clave del manto de la Tierra que se sabe que influye en la formación planetaria.

Experimentos con láser de alta energía, que sometieron pequeños cristales del metal al tipo de calor y presión que se encuentran en las profundidades del manto de un planeta rocoso, sugieren que el compuesto podría ser el primer metal en solidificarse a partir de océanos de magma para formar “supertierras”. exoplanetas.

“El óxido de magnesio podría ser el sólido más importante que controla la termodinámica de una súper Tierra emergente”, dijo John Weeks, profesor asistente de ciencias terrestres y planetarias en la Universidad Johns Hopkins, quien dirigió la investigación. “Si tiene una temperatura de fusión muy alta, será el primer sólido en cristalizar cuando un planeta rocoso y caliente comience a enfriarse y su interior se separe en un núcleo y un manto”.

Implicaciones para los planetas jóvenes

Los resultados fueron publicados recientemente en Avance de la ciencia.

Señalan que la forma en que el óxido de magnesio pasa de una forma a otra podría tener implicaciones importantes para los factores que controlan si un planeta joven será una bola de nieve o una roca fundida, desarrollará océanos de agua o una atmósfera, o tendrá alguna combinación de estas características. .

“En las súper Tierras, donde este material será un componente importante del manto, su transformación contribuirá en gran medida a la rapidez con la que el calor se mueve en el interior, lo que controlará cómo se mueve el interior y el resto de la Tierra”. “El planeta toma forma y se deforma con el tiempo”, dijo Weeks. “Podemos pensar en esto como un indicador del interior de estos planetas, porque ese sería el material que controla su deformación, que es uno de los componentes más importantes de los planetas rocosos”.

Una vista de los experimentos con láser de óxido de magnesio (MgO) compactado por choque dentro de la cámara del Laboratorio de Energía Láser. Se utilizan láseres de alta energía para comprimir muestras de MgO a presiones superiores a las que se encuentran en el centro de la Tierra. Se utiliza una fuente secundaria de rayos X para explorar la estructura cristalina del MgO. Las áreas más brillantes brillan con emisión de plasma en escalas de tiempo de nanosegundos. Crédito: Semanas de junio/Universidad Johns Hopkins

Más grande que la Tierra pero más pequeño que los gigantes Neptuno o UranoLas supertierras son objetivos principales exoplaneta Se busca porque se encuentran comúnmente entre otros sistemas solares de la galaxia. Si bien la composición de estos planetas puede variar desde gas hasta hielo o agua, se espera que los planetas superrocosos contengan grandes cantidades de óxido de magnesio, lo que podría afectar el campo magnético del planeta, el vulcanismo y otros aspectos geofísicos clave, dijo Weeks On. el terreno. .

Para imitar las condiciones extremas que soportaría este mineral durante la formación de planetas, el equipo de Wick expuso pequeñas muestras a presiones muy altas utilizando la instalación de láser Omega-EP en el Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester. Los científicos también tomaron imágenes de rayos X y registraron cómo esos rayos de luz rebotaban en los cristales para rastrear cómo se reorganizaban sus átomos en respuesta a presiones crecientes, observando específicamente el punto en el que cambiaron de sólido a líquido.

Cuando se presionan con fuerza extrema, los átomos de materiales como el óxido de magnesio cambian su disposición para mantener presiones aplastantes. Esta es la razón por la que el mineral cambia de una “fase” de sal de roca que se asemeja a la sal de mesa a una formación diferente como otra sal llamada cloruro de cesio a medida que aumenta la presión. Esto conduce a una transformación que puede afectar la viscosidad del mineral y su impacto en el planeta a medida que envejece, afirmó Weeks.

Estabilidad del óxido de magnesio a altas presiones.

Los resultados del equipo muestran que el óxido de magnesio puede existir en ambas fases a presiones de 430 a 500 gigapascales y temperaturas de aproximadamente 9.700 K, casi el doble de la temperatura de la superficie del Sol. Los experimentos también muestran que las presiones más altas que el metal puede soportar antes de fundirse por completo son de hasta 600 GPa, aproximadamente 600 veces la presión que uno sentiría en las fosas oceánicas más profundas.

“El óxido de magnesio se funde a una temperatura mucho más alta que cualquier otra sustancia o mineral. El diamante puede ser el material más duro, pero esto es lo que se derretirá más tarde”, dijo Weeks. “Cuando se trata de materiales extremos en planetas pequeños, lo más probable es que se derrita”. “Sólido, mientras que todo lo demás que cuelga del manto se volverá líquido”.

Weeks dijo que el estudio muestra la estabilidad y simplicidad del óxido de magnesio bajo presiones extremas y podría ayudar a los científicos a desarrollar modelos teóricos más precisos para explorar preguntas clave sobre el comportamiento de este y otros minerales dentro de mundos rocosos como la Tierra.

“El estudio es una carta de amor al óxido de magnesio, porque sorprendentemente tiene el punto de fusión más alto que conocemos (a presiones más allá del centro de la Tierra) y todavía se comporta como la sal normal”, dijo Weeks. “Es simplemente una sal hermosa y simple, incluso a estas presiones y temperaturas récord”.

Referencia: “Transición de B1 a B2 en óxido de magnesio prensado por choque” por John K. Semanas, Saransh Singh, Marius Mellot, Dane E. Fratandono, Federica Copari, Martín J. Gorman, Zhixuan Yi, J. Ryan Rigg, Anirudh Hari, John H. Eggert, Thomas S. Duffy y Raymond F. Smith, 7 de junio de 2024, Avance de la ciencia.
doi: 10.1126/sciadv.adk0306

Otros autores son Saransh Singh, Marius Mellot y Dane E. Fratandono, Federica Copari y Martin J. Gorman y John H. Eggert y Raymond F. Smith del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore; Zixuan Yi y Anirudh Hari de la Universidad Johns Hopkins; C. Ryan Rigg de la Universidad de Rochester; y Tomás S. Duffy de Universidad de Princeton.

Esta investigación fue apoyada por la NNSA a través del Programa Nacional de Instalaciones para Usuarios de Láser bajo el Contrato No. DE-NA0002154 y DE-NA0002720 y el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en LLNL (Proyecto No. 15-ERD-012). Este trabajo fue realizado bajo los auspicios del Departamento de Energía de EE. UU. por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore bajo el contrato número DE-AC52-07NA27344. Esta investigación fue apoyada por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear a través del Programa Nacional de Instalaciones de Usuarios de Láser (Contrato No. DE-NA0002154 y DE-NA0002720) y el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en LLNL (Proyecto No. 15-ERD-014, 17 ). -ERD-014, y 20-ERD-044).