Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Университета Джонса Хопкинса изучили поведение оксида магния при экстремальных давлениях и температурах, характерных для недр планет. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review X. Исследование стало третьим этапом проекта, начатого публикацией 2015 года в Physical Review Letters и продолженного в 2024 году в Science Advances.
Магний и кремний относятся к наиболее распространённым элементам планет. При высоком давлении они образуют кристаллы оксида магния MgO, поэтому свойства этого соединения помогают оценивать процессы, происходящие внутри планетных тел. Учёные стремились понять, как MgO ведёт себя при условиях, отличающихся от земных, в том числе в недрах газовых гигантов и крупных каменистых экзопланет — суперземель.
Для экспериментов специалисты использовали лазеры, сжимавшие кубический кристалл MgO с разных направлений. Максимальные параметры достигали 572 гигапаскалей и 13 000 кельвинов, что соответствует примерно 12 927 градусам Цельсия. Для сравнения, вблизи центра Земли давление составляет около 360 гигапаскалей, а температура — примерно 6 000 кельвинов.
Кристалл сжимали по трём направлениям: по диагонали грани, перпендикулярно грани куба и по диагонали через его объём. Такой подход позволил проверить представление о том, что при экстремальных условиях направление воздействия уже не влияет на результат. Оказалось, что реакция материала зависит от того, с какой стороны на него направлен лазер.
При одном варианте сжатия кристалл преобразовывался вдоль диагонали, тогда как в двух других случаях за ударной волной возникал беспорядочный и нерегулярный рост кристаллов. Кроме того, при давлении 572 гигапаскалей и температуре 13 000 кельвинов MgO расплавился, установив новый экспериментальный рекорд для материала по одновременно достигнутым давлению и температуре. «Оксид магния — важный компонент для понимания недр планет», — заявила профессор кафедры наук о Земле и планетах Университета Джонса Хопкинса Джун Уикс, слова которой приводит Lawrence Livermore National Laboratory.
На Земле MgO формируется в нижней части мантии, рядом с границей между мантией и ядром. На суперземлях он может превращаться в проводящую жидкость внутри мантии, тогда как на нашей планете подобная проводимость связана с внешним ядром. В недрах газовых гигантов, включая Юпитер и Сатурн, оксид магния способен существовать в твёрдом или жидком состоянии в зависимости от температуры.