Duizenden kilometers onder het aardoppervlak, onder extreme druk en temperaturen, kan de kern van de planeet worden gevonden. Er is een binnenkern die bestaat uit een massieve nikkel-ijzeren bol die oppervlakkig roteert in de buitenste kern, waar het ijzer en nikkel vloeibaar zijn.
De omstandigheden van deze buitenste kern zijn nu nagemaakt in het laboratorium, door een team onder leiding van natuurkundige Sebastian Merkel van de Universiteit van Lille in Frankrijk – op zo’n manier dat de wetenschappers de structurele vervorming van ijzer konden waarnemen.
Dit heeft niet alleen implicaties voor het begrijpen van onze planeet, maar kan ons ook helpen beter te begrijpen wat er gebeurt als stukjes ijzer in de ruimte botsen.
“Geheel intern hebben we inhoudelijke voorwaarden niet gecreëerd”, Natuurkundige Arianna Gleeson zei: Van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. “Maar we hebben de omstandigheden van de buitenste kern van de planeet bereikt, wat echt cool is.”
Onder normale aardse omstandigheden is de kristalstructuur van ijzer A kubus rooster. De atomen zijn gerangschikt in een raster, met atomen in de hoek van elke kubus en één in het midden. Wanneer ijzer onder extreem hoge druk wordt gecomprimeerd, verandert dit rooster van vorm en vervormt het tot a zeshoekige structuur. Hierdoor kunnen meer atomen in hetzelfde ruimtevolume worden verpakt.
Maar het is moeilijk te zeggen wat er aan de hand is, zelfs bij hogere drukken en temperaturen – zoals die in de kern van de aarde. De laatste jaren is de lasertechnologie echter zo ver gevorderd dat kleine monsters in laboratoriumomgevingen kunnen worden blootgesteld aan extreme omstandigheden, zoals de drukken en temperaturen die worden aangetroffen in witte dwergsterren.
Het team van SLAC heeft twee lasers ingezet. De eerste is een optische laser, die een microscopisch staal van ijzer schiet en er een schok op uitoefent die extreme druk en hitte veroorzaakt.
De druk van de buitenste kern van de aarde varieert van 135 tot 330 gigapascal (1,3 tot 3,3 miljoen atmosfeer) en temperaturen tussen 4.000 en 5.000 K (3727 tot 4727 ° C of 6.740 tot 8.540 ° F). Druk en temperaturen tot 4070 K .
Het volgende deel, en misschien wel het moeilijkste, was het meten van de atomaire structuur van ijzer tijdens dit proces. Voor dit doel gebruikte het team de röntgenvrije Linac Coherent Light Source (LCLS) -laser, die het monster onderzocht terwijl het laserlicht afvuurde.
“We waren in staat om een meting te doen in een miljardste van een seconde”, Gleeson zei:. “Atomen bevriezen waar ze zich in die nanoseconden bevinden, is echt opwindend.”
De resulterende afbeeldingen, gegroepeerd in een reeks, onthulden dat ijzer door twinning reageert op de extra stress die door deze omstandigheden wordt veroorzaakt. Dit gebeurt wanneer het kristalrooster zo compact wordt dat sommige roosterpunten op een symmetrische manier door meerdere kristallen worden gedeeld.
(S. Merkel / Universiteit van Lille, Frankrijk)
Voor ijzer in buitenaardse kerncondities betekent dit dat de atomaire opstelling zo wordt geduwd dat de zeshoeken ongeveer 90 graden draaien. Door dit mechanisme kan het metaal de tips weerstaan, aldus de onderzoekers.
“Twinning zorgt ervoor dat ijzer ongelooflijk sterk is – sterker dan we aanvankelijk dachten – voordat het plastisch begint te stromen over veel langere tijdschalen”, Gleeson zei:.
Nu we weten hoe ijzer zich onder deze omstandigheden gedraagt, kan deze informatie worden verwerkt in modellen en simulaties. Dit heeft belangrijke implicaties voor de manier waarop we bijvoorbeeld ruimtebotsingen begrijpen. De kern van de aarde ligt netjes weg binnen een planeet, maar er zijn asteroïden die zo metaalachtig zijn dat we denken dat het de onbedekte, kale kernen van planeten zijn die hun vorming verstoren.
Deze objecten kunnen botsen met andere objecten die de ijzeren structuur erin kunnen vervormen. Nu hebben we een beter idee van hoe dit gebeurt. En natuurlijk weten we nu meer over onze planeet.
“De toekomst ziet er rooskleurig uit nu we een manier hebben ontwikkeld om deze metingen te doen,” Gleeson zei:.
“Nu kunnen we een duim omhoog en een duim omhoog geven voor een aantal echt fundamentele fysieke modellen van vervormingsmechanismen. Dat helpt bij het opbouwen van een deel van de voorspellende kracht die we missen om te modelleren hoe materialen reageren in extreme omstandigheden.”
De zoekopdracht is gepubliceerd in fysieke beoordelingsberichten.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
