Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums haben neue Details über die Kern-Mantel-Grenze der Erde und ähnliche Regionen auf Exoplaneten enthüllt.
Das Team unter der Leitung von Guillaume Morard, einem Wissenschaftler an der Universität Grenoble und der Sorbonne-Universität in Frankreich, verwendete den Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC, um das Verhalten von geschmolzenem Gestein unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Naturkommunikation.
„Diese Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis des tiefen Erdinneren dar“, sagte die Mitarbeiterin und leitende Wissenschaftlerin des SLAC, Arianna Gleason. „Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial fortschrittlicher Röntgentechniken, die verborgenen Geheimnisse unseres Planeten und darüber hinaus zu enthüllen.“
Ungefähr 1.800 Meilen unter der Erdoberfläche liegt eine aufgewühlte Region aus Magma, die zwischen dem festen, auf Silikat basierenden Mantel und dem geschmolzenen, eisenreichen Kern liegt: die Kern-Mantel-Grenze. Es ist ein Überbleibsel aus alten Zeiten, vor etwa 4,3 bis 4,5 Milliarden Jahren, als der gesamte Planet geschmolzen war. Obwohl die extremen Druck- und Temperaturverhältnisse in der Region die Untersuchung erschweren, enthält sie Hinweise auf die Entstehungsgeschichte der Erde und Einblicke in die inneren Prozesse des Planeten.
Um diese Herausforderung zu meistern, verwendeten die Forscher fortschrittliche Röntgentechniken, um die Bedingungen wiederherzustellen, die im mittleren bis unteren Mantel von Exoplaneten zu erwarten sind, die zwei- bis dreimal so groß wie die Erde sind. Durch die Verwendung harter Röntgenstrahlen mit höheren Energieniveaus als bisher konnten Forscher sehen, wie Atome im geschmolzenen Gestein angeordnet waren. Das Team nutzte außerdem Computersimulationen zum Vergleich mit den experimentellen Daten und lieferte so einen umfassenden Überblick über die Eigenschaften der geschmolzenen Silikate.
Ein überraschendes Ergebnis betraf die Rolle von Eisen in geschmolzenem Gestein. Entgegen den Erwartungen änderte die Variation des Eisengehalts die Dichte des Gesteins nicht wesentlich. Dieser Befund ist besonders relevant für unser Verständnis der Entstehung der Erde, wo die Oberfläche einst aus geschmolzenem Gestein bestand und der Dichteunterschied zwischen kristallinem und geschmolzenem Material die Entwicklung des Planeten maßgeblich beeinflusste.
Die Studie legt auch nahe, dass diese atomare Reaktion auf die Kompression die Eigenschaften von Schmelzen bei den Drücken verändern kann, die in den Magma-Ozeanen von Supererden zu erwarten sind, Exoplaneten mit einer Masse, die fast dreimal so groß ist wie die der Erde. Dies könnte sich möglicherweise anders auf ihre frühe Entwicklung auswirken als auf kleinere Gesteinsplaneten wie die Erde und die Venus in unserem Sonnensystem
Die Forschung unterstreicht die Bedeutung fortschrittlicher experimenteller Werkzeuge für die Untersuchung von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen. Das Team hofft, dass ihre Erkenntnisse zur Weiterentwicklung dieser Werkzeuge führen und neue Forschungswege in den Geo- und Planetenwissenschaften eröffnen werden.
„Da wir nun wissen, dass wir diese Datenqualität erhalten und diese Bedingungen erreichen können, wollen wir weiter in Exoplanetenregime vordringen“, sagte Gleason. „Die Fähigkeit, Drücke zu erzeugen, die dem Dreifachen der Bedingungen im Erdmantel entsprechen, ist aufregend. Sie erweitert unser Verständnis der Silikateigenschaften unter extremen Bedingungen, was sowohl für die Erforschung der Erde als auch von Exoplaneten von entscheidender Bedeutung ist.“
Weitere Informationen:
Guillaume Morard et al., Strukturelle Entwicklung flüssiger Silikate unter Bedingungen im Inneren von Supererden, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51796-7