Una nueva estructura cristalina arroja luz sobre la dinámica de los planetas extrasolares

Newswise — Los científicos utilizan la fuente de fotones avanzada de Argonne para estudiar grandes planetas extrasolares que pueden arrojar luz sobre cómo se forman y evolucionan los planetas de nuestra galaxia.

Durante décadas, los científicos han buscado mundos extraños más allá de nuestro sistema solar para comprender más acerca de nuestro planeta de origen. Un equipo de investigadores utilizando los recursos del Departamento de Energía de los Estados Unidos (GAMA) El Laboratorio Nacional de Argonne descubrió recientemente más sobre esos planetas sin salir de la Tierra.

Se han descubierto más de 5000 planetas extrasolares desde 1992. Estos planetas son grandes cuerpos astronómicos que se encuentran fuera de nuestro sistema solar y orbitan estrellas distintas del sol. Estudiar de qué minerales están compuestos los planetas extrasolares y cómo están estructurados es importante para comprender cómo se forman, se comportan y evolucionan los planetas de nuestra galaxia.

A través del descubrimiento de planetas extrasolares, tenemos una visión completamente nueva de lo que hay, qué tipo de planetas son factibles y cómo pueden operar”, dijo Thomas Duffy, profesor de geociencias en la Universidad de Princeton.

A través del descubrimiento de planetas extrasolares, tenemos una visión completamente nueva de lo que hay, qué tipo de planetas son factibles y cómo pueden operar”. — Thomas Duffy, Universidad de Princeton

Por ejemplo, algunos planetas extrasolares están compuestos por los mismos minerales de silicato que constituyen la mayor parte de la Tierra, pero son hasta 10 veces más grandes en tamaño y, como resultado, tienen presiones y temperaturas mucho más altas en su interior. Las presiones en el manto de los grandes exoplanetas rocosos pueden ser tres veces mayores que la presión en el centro de la Tierra, según Duffy. Él y sus colegas se propusieron comprender más acerca de las propiedades físicas de estos minerales bajo tales presiones.

Duffy y un equipo de científicos dirigido por Rajkrishna Dutta, becaria postdoctoral en la Carnegie Institution for Science, realizaron experimentos con minerales específicos bajo presiones y temperaturas extremadamente altas. Utilizaron los haces de rayos X ultrabrillantes de la Fuente de fotones avanzada (APS), a GAMA Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en Argonne. Los resultados del equipo fueron recientemente publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Nada de esto hubiera sido posible sin las líneas de luz de alta presión de vanguardia en el APS”, dijo Dutta.

Específicamente, los científicos estudiaron el germanato de magnesio, un análogo de los minerales de silicato de magnesio que constituyen la mayor parte del manto de la Tierra. Al sustituir el silicio por un ion de germanio más grande, el equipo pudo estudiar las transiciones entre las fases químicas a temperaturas y presiones más bajas en el laboratorio.

Si queremos comprender los planetas más grandes que tienen composiciones químicas similares a la de nuestra Tierra, este mineral es un buen lugar para comenzar”, dijo Sally June Tracy, científica del personal de Carnegie Institution for Science, quien ayudó con la investigación. Tracy y sus colegas evaluaron cómo cambia la estructura atómica del germanato de magnesio bajo presiones extremadamente altas.

Mediante el uso de dos líneas de luz de rayos X en el APS Para crear estas condiciones extremas, los científicos descubrieron que el mineral adoptó la estructura de un compuesto llamado fosfuro de torio. Esto, piensan, podría ser un componente importante de los interiores profundos de grandes planetas extrasolares rocosos.

No es como ninguna estructura cristalina que encuentres en la Tierra o en otros planetas de nuestro sistema solar”, dijo Duffy.

Esta estructura es interesante por varias razones. Primero, el número de átomos de oxígeno que rodean a cada átomo de germanio aumenta de cuatro a ocho bajo alta presión y temperatura. En segundo lugar, la nueva estructura cristalina tiene una estructura iónica desordenada en lugar de tener un orden distinto.

Los investigadores se sorprendieron por este desorden.​Una estructura en la que dos iones diferentes con tamaños y valencias muy diferentes se sustituyen entre sí va en contra de nuestra intuición”, dijo Tracy.​La idea de que este tipo de estructura desordenada pueda estabilizarse a alta presión y temperatura abre la puerta a pensar en otras estructuras minerales novedosas que podrían ser viables en condiciones extremas”.

Las estructuras desordenadas tienden a incorporar impurezas y defectos más fácilmente, lo que puede afectar las propiedades físicas. Uno de ellos es la conductividad térmica, que influye en cómo los planetas se enfrían y evolucionan con el tiempo.

El descubrimiento de estas fases revolucionó nuestra comprensión de la tierra profunda”, dijo Dutta.

Para conocer las propiedades de la nueva estructura cristalina, el equipo se basó en las capacidades de dos líneas de luz en el APS: el equipo de acceso colaborativo de alta presión (HPCAT), operado por Argonne, y GeoSoilEnviroCARS (gsecars), operado por la Universidad de Chicago. Estas fuentes de rayos X son algunas de las más brillantes del mundo.

Estas líneas de luz permitieron a los investigadores lograr una presión extremadamente alta al apretar la muestra entre dos diamantes. Se lograron altas temperaturas con técnicas avanzadas de calentamiento por láser. Las muestras se estudiaron con un haz de rayos X intenso y bien enfocado.

Enfocamos los rayos X hasta alrededor de tres micrones, que es casi 50 veces más delgado que un mechón de cabello, para sondear una pequeña muestra en condiciones muy extremas”, dijo Vitali Prakapenka, coautor del estudio y profesor de investigación. en la Universidad de Chicago.

Al analizar el patrón de difracción creado al hacer pasar un haz de rayos X a través del mineral a alta temperatura y presión, los científicos determinaron la estructura y la densidad de esta nueva fase de fosfuro de torio.

Los investigadores pudieron operar las líneas de luz de forma remota, lo cual era esencial, ya que el experimento se inició a principios del siglo COVID-19 pandemia.

Los descubrimientos realizados durante este proyecto me levantaron el ánimo durante un momento desafiante”, dijo Yue Meng, físico de Argonne y coautor del estudio, y señaló que nada de esto sería posible sin el destacado personal de apoyo del proyecto. APS que mantuvo las líneas de luz funcionando sin problemas.

Los científicos planean seguir explorando esta nueva estructura cristalina para comprender mejor la dinámica de los planetas extrasolares y aprender más sobre nuestro universo.​Es ciencia impulsada por la curiosidad”, dijo Duffy.​Hay mundos muy extraños por ahí y es posible que descubramos tipos exóticos de planetas con los que nunca antes soñamos”.

Acerca de la fuente de fotones avanzada

Fuente avanzada de fotones de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (APS) en el Laboratorio Nacional de Argonne es una de las instalaciones de fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. la APS proporciona haces de rayos X de alto brillo a una comunidad diversa de investigadores en ciencia de los materiales, química, física de la materia condensada, ciencias de la vida y ambientales e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para la exploración de materiales y estructuras biológicas; distribución elemental; estados químicos, magnéticos, electrónicos; y una amplia gama de sistemas de ingeniería tecnológicamente importantes, desde baterías hasta rociadores de inyectores de combustible, todos los cuales son los cimientos del bienestar económico, tecnológico y físico de nuestra nación. Cada año, más de 5.000 investigadores utilizan el APS producir más de 2000 publicaciones que detallan descubrimientos impactantes y resolver más estructuras de proteínas biológicas vitales que los usuarios de cualquier otra instalación de investigación de fuente de luz de rayos X. APS Los científicos e ingenieros innovan en tecnología que está en el corazón del avance de las operaciones de aceleradores y fuentes de luz. Esto incluye los dispositivos de inserción que producen rayos X de brillo extremo apreciados por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, instrumentación que maximiza la forma en que los rayos X interactúan con las muestras que se estudian y software que recopila y gestiona la enorme cantidad de datos resultantes de la investigación de descubrimiento en el APS.

Esta investigación utilizó recursos de Advanced Photon Source, una empresa estadounidense GAMA Instalación de usuario de la Oficina de Ciencias operada para el GAMA Office of Science por Argonne National Laboratory bajo el Contrato No. DE-AC02-06CH11357.

Laboratorio Nacional de Argonne busca soluciones a problemas nacionales apremiantes en ciencia y tecnología. Argonne, el primer laboratorio nacional del país, lleva a cabo investigaciones científicas básicas y aplicadas de vanguardia en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan en estrecha colaboración con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarlos a resolver sus problemas específicos, promover el liderazgo científico de Estados Unidos y preparar a la nación para un futuro mejor. Con empleados de más de 60 países, Argonne está dirigida por Chicago Argonne, LLC Para el Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU..

La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite https://​energy​.gov/​s​c​ience.

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