Кислород и магний — два самых распространенных элемента в мантии Земли. Однако, когда ученые предсказывают химический состав каменистых планет земной группы за пределами нашей Солнечной системы, они не должны предполагать, что другие каменистые планеты будут иметь минералогию мантии земной, по мнению исследовательской группы, в которую входят Сергей Лобанов из Карнеги, Николас Хольтгреве. , и Александр Гончаров.Известно, что звезды с каменистыми планетами различаются по химическому составу.
Это означает, что минералогия этих каменистых планет, вероятно, отличается друг от друга и от нашей Земли. Например, повышенное содержание кислорода наблюдается у звезд, на которых расположены каменистые планеты. Таким образом, кислорода может быть больше в недрах других каменистых планет, потому что химический состав звезды будет влиять на химический состав планет, которые сформировались вокруг нее.
Если планета более окислена, чем Земля, то это также может повлиять на состав соединений, обнаруженных в ее недрах, включая соединения магния, которые являются предметом этого исследования.Оксид магния MgO, как известно, очень стабилен даже при очень высоких давлениях.
И он не реагирует в условиях нижней мантии Земли. В то время как пероксид магния, MgO2, может образовываться в лаборатории при высоких концентрациях кислорода, но он очень нестабилен при нагревании, как это было бы в недрах планеты.Предыдущие теоретические расчеты показали, что пероксид магния станет стабильным в условиях высокого давления.
Развивая эту идею еще на один шаг, команда решила проверить, можно ли синтезировать стабильную перекись магния в экстремальных условиях, имитирующих внутреннее пространство планеты.Используя нагреваемую лазером ячейку с алмазной наковальней, они довели очень маленькие образцы оксида магния и кислорода до различного давления, имитирующего внутреннюю часть планеты, от атмосферного давления до 1,6 миллиона раз нормального атмосферного давления (0-160 гигапаскалей), и нагрели их. до температуры выше 3140 градусов по Фаренгейту (2000 Кельвинов).
Они обнаружили, что при примерно 950 000 раз превышающем нормальное атмосферное давление (96 гигапаскалей) и при температуре 3 410 градусов по Фаренгейту (2150 Кельвинов) оксид магния вступает в реакцию с кислородом с образованием пероксида магния.«Наши результаты показывают, что перекись магния может быть в изобилии в чрезвычайно окисленных мантии и ядрах скалистых планет за пределами нашей Солнечной системы», — сказал Лобанов, ведущий автор статьи. «Когда мы разрабатываем теории о далеких планетах, важно, чтобы мы не предполагали их химия и минералогия подобны Земле ».«Эти результаты являются еще одним примером того, как лабораторные эксперименты под высоким давлением могут научить нас не только нашей собственной планете, но, возможно, и далеким», — добавил Гончаров.
Из-за своей химической инертности MgO долгое время использовался в качестве проводника, передающего тепло и давление экспериментальному образцу. «Но эта новая информация о его химической реакционной способности под высоким давлением означает, что такое экспериментальное использование MgO необходимо пересмотреть, поскольку оно может вызывать нежелательные реакции и влиять на результаты», — добавил Гончаров.Другими соавторами являются Цян Чжу и Артем Оганов из Университета Стоуни-Брук, а также Клеменс Прешер и Виталий Пракапенко из Чикагского университета.Это исследование финансировалось Deep Carbon Observatory, Национальным научным фондом, DARPA, Правительством Российской Федерации, а также Программой внедрения иностранных талантов и академического обмена.
Расчеты проводились на установках XSEDE и на кластере Брукхейвенской национальной лаборатории Центра функциональных нематериалов, который поддерживается DOE-BES.