Feroperiklas, jedan od važnih minerala Zemljina dubokog plašta, u laboratorijskom se pokusu pod ekstremnim tlakom razdvojio na dijelove bogate željezom i dijelove siromašnije tim elementom. Promjena je zabilježena pri približno 200 gigapaskala, gotovo dva milijuna puta većem tlaku od atmosferskog na razini mora.
Takvi uvjeti mogu vladati duboko u stjenovitim planetima masivnijima od Zemlje. Prema novom istraživanju, razdvajanje minerala ondje bi moglo stvoriti sloj koji mnogo lakše teče i promijeniti način na koji se planet hladi. Za razumijevanje super-Zemalja zato nije dovoljno samo povećati dimenzije modela našeg planeta.
Rad Chaojije Lva, Jina Liua i suradnika objavljen je 31. listopada u časopisu Nature Communications. Tim je povezao pokuse pri ekstremnim tlakovima s kemijskim analizama uzoraka i računalnim proračunima kako bi istražio što se događa s mineralom pri uvjetima koji nadmašuju tlakove u Zemljinu plaštu.
Isti mineral, drukčiji sastav
Feroperiklas je mineral građen od magnezija, željeza i kisika. U Zemljinu donjem plaštu jedan je od glavnih minerala koji sadrže željezo, a njegova svojstva utječu na to koliko se duboke stijene mogu deformirati i polako gibati. Plašt je stjenoviti sloj između planetarne kore i jezgre.
Istraživači su male uzorke stiskali između dijamantnih nakovanja i zagrijavali laserom. Pokusi su dosegnuli 220 gigapaskala i 3300 kelvina, odnosno oko 3000 Celzijevih stupnjeva. Rendgenskim zračenjem pratili su promjene kristalne strukture, a nakon pokusa analizirali raspored željeza i magnezija u uzorcima.
U blizini 200 gigapaskala pojavili su se odvojeni dijelovi različita sastava. Jedan je bio znatno bogatiji željezovim oksidom, a drugi magnezijevim oksidom. Kemijska analiza bila je važna jer sama rendgenska mjerenja nisu omogućila pouzdano određivanje sastava nastalih dijelova.
Većinu pokusa autori tumače kao razdvajanje u čvrstom stanju. Za glavni rezultat nije bilo potrebno potpuno rastaliti uzorak. Proračuni podupiru objašnjenje da sve veći tlak pogoduje razdvajanju: sastojci bogati željezom i magnezijem u tim uvjetima teže različitim kristalnim rasporedima.
Sloj koji bi lakše tekao oko jezgre
Stijene u dubini planeta mogu ostati čvrste, a ipak se tijekom dugih geoloških razdoblja vrlo sporo gibati. Njihova viskoznost opisuje otpor takvu tečenju. Ako se pojavi materijal mnogo manje viskoznosti, promijenit će se i način na koji se okolni plašt deformira.
Prema modelima iz rada, produkt bogat željezovim oksidom bio bi gušći od okolnih silikatnih minerala te bi mogao tonuti prema dnu plašta. Ondje bi se mogao nakupljati u sloj niske viskoznosti uz jezgru. Takav bi sloj promijenio mehaničku povezanost jezgre i plašta te prijenos topline iz dubine planeta.
Autori taj scenarij razmatraju za stjenovite super-Zemlje sastava približno sličnog Zemljinu, bogate magnezijem. U njihovim modelima tlak na granici jezgre i plašta prelazi 200 gigapaskala kod planeta mase veće od približno jedne i pol Zemlje. Predloženi sloj zasad je rezultat modeliranja na temelju laboratorijskih nalaza; nije izravno opažen ni u jednom egzoplanetu.
Koliko se minerali mogu razlikovati u takvim svjetovima pokazalo je i ranije istraživanje otpornosti magnezijeva ortosilikata na taljenje u dubini super-Zemalja. Novi rad dodaje drukčiji proces: razdvajanje sastojaka minerala koji utječe na gibanje dubokih stijena.
Što se događa pri još većem tlaku?
Ni iznimno snažni laboratorijski pokusi još ne pokrivaju sve uvjete u najvećim stjenovitim planetima. Zasebni pokusi s magnezijevim oksidom već su pokazali koliko način stiskanja uzorka može utjecati na zabilježene preobrazbe.
Za feroperiklas ostaje otvoreno hoće li se njegovi razdvojeni sastojci pri još većem tlaku ponovno povezati u stabilan mineral. Pri tlakovima od približno 500 do 600 gigapaskala magnezijev i željezov oksid mogu poprimiti isti tip kristalne strukture. Autori zato kao sljedeći korak izdvajaju pokuse iznad 300 gigapaskala, koji bi pomogli utvrditi koliko daleko u unutrašnjosti masivnih planeta vrijedi sadašnja slika.
