O estudo descreve uma nova geração de experimentos de laser de alta potência que fornecem a primeira equação de estado absoluta para o ferro sob condições extremas de pressão e densidade.
Um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Livermore. Lawrence (LLNL), Princeton University, Johns Hopkins University e a University of Rochester (EUA) pela primeira vez determinaram experimentalmente a dependência massa-raio de um planeta de metal hipotético com as propriedades de um núcleo super-terrestre. O trabalho dos cientistas é apresentado na revista Nature Astronomy.
“A descoberta de um grande número de planetas fora do sistema solar foi uma das descobertas científicas mais emocionantes desta geração. Esses estudos levantam questões fundamentais. Quais são os diferentes tipos de planetas extrasolares e como eles se formam e evoluem? Quais desses objetos podem manter condições de vida aceitáveis na superfície? Para resolver esses problemas, você precisa entender a composição e a estrutura interna desses objetos”, diz Ray Smith, físico do LLNL e principal autor do estudo.
Os resultados podem ser usados para estimar a composição de grandes exoplanetas rochosos, formando a base para futuros modelos de profundidades planetárias, que, por sua vez, podem ser usados para interpretar com mais precisão os dados observacionais da missão espacial Kepler e ajudar a determinar planetas habitáveis.
Sabe-se que dos mais de 4.000 exoplanetas candidatos a esse papel, os mais comuns são aqueles que ultrapassam o raio da Terra em 1 a 4 vezes. Esses mundos extra-solares não estão representados em nosso sistema. Isso indica que os planetas estão se formando em uma gama mais ampla de condições físicas do que se pensava anteriormente. Determinar a estrutura interna e composição das super-Terras é um desafio, mas fundamental para a compreensão da diversidade e evolução dos sistemas planetários em nossa galáxia.
Como a pressão no núcleo de um exoplaneta 5 vezes a massa da Terra pode chegar a dois milhões de atmosferas, um requisito fundamental para limitar a composição de um exoplaneta e sua estrutura interna é determinar com precisão as propriedades do material sob extrema pressão. O ferro é o componente dominante dos núcleos planetários de planetas semelhantes à Terra. Uma compreensão detalhada das propriedades do ferro nas condições da super-terra tornou-se um grande desafio na pesquisa da equipe de Ray Smith.
Os cientistas descreveram uma nova geração de experimentos de laser poderosos que fornecem a primeira equação de estado absoluta para o ferro sob pressão e densidade extremas no núcleo da super-Terra. O método é adequado para compactar matéria com aquecimento mínimo até uma pressão de 1 terapascal (1 TPa = 10 milhões de atmosferas).
Recriação do núcleo da super-terra na câmera NIF vista pelo artista. Crédito: Mark Meamber (NIF).
Vídeo promocional:
Os experimentos foram realizados no Complexo Nacional de Ignição LLNL (NIF). O NIF, o maior e mais poderoso laser do mundo, pode fornecer até 2 megajoules de energia laser em 30 nanossegundos e fornecer a potência do laser necessária e o controle da compressão do material até pressões TPa. Os experimentos da equipe atingiram um pico de pressão de 1,4 TPa, quatro vezes a pressão dos resultados estáticos anteriores, que descreviam as condições básicas de uma super-terra de 3 a 4 vezes a massa da Terra.
“Os modelos de dispositivos planetários internos baseados na descrição de materiais compostos em pressões extremas normalmente extrapolam os dados de baixa pressão e criam uma ampla gama de possíveis estados de materiais. Nossos dados experimentais fornecem uma base sólida para determinar as propriedades de uma super-terra e de um planeta de metal hipotético. Além disso, o estudo demonstra a capacidade de determinar equações de estado e outras propriedades termodinâmicas essenciais dos materiais do núcleo planetário em pressões bem acima dos métodos estáticos convencionais. Essas informações são críticas para obter uma compreensão da estrutura de grandes exoplanetas rochosos e sua evolução”, diz Ray Smith.
Futuros experimentos NIF irão expandir o estudo de materiais sob várias pressões TPa, combinando técnicas de difração de raios-X de nanossegundos para determinar a evolução da estrutura cristalina em função da pressão.
Arina Vasilieva
