Υπάρχει τόση πολλή πίεση στον πυρήνα της γης, που κάνει τον σίδηρο να συμπεριφέρεται με παράξενο τρόπο
Είναι ένα από τα τρελά κόλπα της φύσης ότι το βαθύ εσωτερικό της Γης είναι τόσο ζεστό όσο η επιφάνεια του Ήλιου. Η σφαίρα του σιδήρου που βρίσκεται εκεί βρίσκεται επίσης υπό ακραία πίεση: περίπου 360 εκατομμύρια φορές περισσότερη πίεση από αυτή που βιώνουμε στην επιφάνεια της Γης. Αλλά πώς μπορούν οι επιστήμονες να μελετήσουν τι συμβαίνει με τον σίδηρο στο κέντρο της Γης όταν είναι σε μεγάλο βαθμό μη παρατηρήσιμο;
Με ένα ζευγάρι λέιζερ.
Η Γη δεν είναι το μόνο σώμα με σιδερένιο πυρήνα. Ο Ερμής, η Αφροδίτη και ο Άρης τα έχουν επίσης. Στην πραγματικότητα, οποιοσδήποτε κόσμος που ήταν ποτέ λιωμένος είναι πιθανό να έχει πυρήνα σιδήρου, καθώς η πυκνότητα του σιδήρου τον κάνει να πέφτει προς το κέντρο βάρους ενός κόσμου. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι ορισμένοι αστεροειδείς σιδήρου είναι στην πραγματικότητα πυρήνες από πλανητοειδείς που έχασαν την υπόλοιπη μάζα τους λόγω συγκρούσεων.
Τι συμβαίνει με το σίδερο όταν δύο πλανήτες συγκρούονται; Τι συμβαίνει με τον σίδηρο στον πυρήνα της Γης; Και στα δύο σενάρια, το σίδερο υπόκειται σε υπερβολική θερμότητα και πίεση. Τα περισσότερα από αυτά που γνωρίζουν οι επιστήμονες για τον σίδηρο σε αυτές τις ακραίες συνθήκες προέρχονται από εργαστηριακά πειράματα που περιλαμβάνουν χαμηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις. Αλλά οι ερευνητές στο SLAC του DOE (Στάνφορντ Γραμμικός Επιταχυντής) ήθελαν να αναδημιουργήσουν τα άκρα στο κέντρο της Γης όσο καλύτερα μπορούσαν για να δοκιμάσουν τη συμπεριφορά του σιδήρου.
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Σεμπαστιέν Μέρκελ του Πανεπιστημίου της Λιλ, δημοσίευσαν ένα έγγραφο που αναφέρει τα ευρήματά τους. Ο τίτλος της εφημερίδας είναι ' Οπτικοποίηση Femtosecond της αντοχής και της πλαστικότητας του hcp-Iron υπό συμπίεση κραδασμών » και δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Υπό κανονικές συνθήκες στην επιφάνεια της Γης, ο σίδηρος είναι διατεταγμένος με συγκεκριμένο τρόπο φυσικά. Τα άτομα είναι διατεταγμένα σε νανοσκοπικούς κύβους, με ένα άτομο σιδήρου στο κέντρο και ένα σε κάθε γωνία. Όταν βρίσκονται υπό αρκετά υψηλή πίεση, τα σίδερα αναδιατάσσονται σε εξαγωνικά πρίσματα. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει τη συμπίεση περισσότερου σιδήρου στον ίδιο χώρο.
Όταν υπό επαρκή πίεση ο σίδηρος σχηματίζει εξαγωνικά πρίσματα. Πίστωση εικόνας: S. Merkel/Πανεπιστήμιο της Λιλ, Γαλλία
Αυτό είναι ήδη γνωστό.
Τι συμβαίνει όμως όταν η πίεση αυξάνεται ακόμη περισσότερο, στα ίδια επίπεδα με τον εξωτερικό πυρήνα της Γης; Για να το ανακαλύψει, η ομάδα των ερευνητών χρησιμοποίησε δύο λέιζερ.
Το πρώτο λέιζερ ήταν ένα οπτικό λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε για να προκαλέσει ένα ωστικό κύμα που υπέβαλε το σίδερο στο εργαστήριο σε ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις. Το δεύτερο λέιζερ ήταν του SLAC Συνεκτική πηγή φωτός Linac (LCLS) Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ. Το LCLS επέτρεψε στην ομάδα να παρατηρήσει τον σίδηρο σε ατομικό επίπεδο καθώς υποβλήθηκε σε ακραίες συνθήκες.
«Δεν κάναμε ακριβώς τις συνθήκες του εσωτερικού πυρήνα», λέει η συν-συγγραφέας Arianna Gleason, επιστήμονας στο Τμήμα Επιστήμης Πυκνότητας Υψηλής Ενέργειας (HEDS) στο SLAC. «Αλλά πετύχαμε τις συνθήκες του εξωτερικού πυρήνα του πλανήτη, κάτι που είναι πραγματικά αξιοσημείωτο».
Άλλα υλικά όπως ο χαλαζίας, το τιτάνιο, το ζιρκόνιο και ο ασβεστίτης έχουν δοκιμαστεί με παρόμοιους τρόπους. Αλλά κανείς δεν είχε ποτέ παρατηρήσει σίδηρο κάτω από τόσο ακραία θερμοκρασία και πίεση.
«Καθώς συνεχίζουμε να το πιέζουμε, το σίδερο δεν ξέρει τι να κάνει με αυτό το επιπλέον άγχος», λέει ο Gleason. «Και πρέπει να ανακουφίσει αυτό το άγχος, οπότε προσπαθεί να βρει τον πιο αποτελεσματικό μηχανισμό για να το κάνει αυτό».
Σε απάντηση σε όλο αυτό το άγχος, το σίδερο κάνει κάτι που ονομάζεται ' αδελφοποίηση .
«Καταφέραμε να κάνουμε μια μέτρηση σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Το πάγωμα των ατόμων εκεί που βρίσκονται σε αυτό το νανοδευτερόλεπτο είναι πραγματικά συναρπαστικό».
Arianna Gleason, συν-συγγραφέας, SLAC.
Αδελφοποίηση είναι όταν τα άτομα αναδιατάσσονται έτσι ώστε να μοιράζονται συμμετρικά σημεία κρυσταλλικού πλέγματος. Διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν διαφορετικούς τύπους αδελφοποίησης, όλα διέπονται από καλά κατανοητούς νόμους. Στην περίπτωση του σιδήρου, τα εξαγωνικά πρίσματα περιστρέφονται προς την πλευρά σχεδόν 90 μοίρες. Το σημείο προσάρτησης ονομάζεται δίδυμο επίπεδο ή επιφάνεια σύνθεσης.
Όταν το σιδερένιο δίδυμο αρέσει αυτό, γίνεται εξαιρετικά δυνατό. Αρχικά. Αλλά όσο περνά ο καιρός, αυτή η δύναμη εξαφανίζεται.
«Η αδελφοποίηση επιτρέπει στον σίδηρο να είναι απίστευτα ισχυρός - ισχυρότερος από ό,τι πιστεύαμε αρχικά - προτού αρχίσει να ρέει πλαστικά σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες», είπε ο Gleason.
Αυτή η ανακάλυψη περιστράφηκε γύρω από ένα δείγμα σιδήρου στο μέγεθος ενός σκέλους ανθρώπινης τρίχας. Το σίδερο συγκλονίστηκε από το οπτικό λέιζερ σε υπερβολική θερμότητα και πίεση. Σε ένα δελτίο τύπου , ο επικεφαλής συγγραφέας Sébastien Merkel περιέγραψε πώς ήταν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. «Το δωμάτιο ελέγχου βρίσκεται ακριβώς πάνω από το πειραματικό δωμάτιο», είπε. «Όταν ενεργοποιείτε την εκκένωση, ακούτε ένα δυνατό σκασμό».
Στη συνέχεια, το LCLS παρατήρησε την αντίδραση του σιδήρου σε κλίμακες νανοδευτερόλεπτου για να δει πώς αναδιατάχθηκαν τα άτομα. Πριν από το πείραμα, η ομάδα δεν ήξερε πόσο γρήγορα θα ανταποκρινόταν το σίδερο και αν θα μπορούσαν να μετρήσουν τις αλλαγές. «Καταφέραμε να κάνουμε μια μέτρηση σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου», είπε ο συν-συγγραφέας Gleason. «Η κατάψυξη των ατόμων όπου βρίσκονται σε αυτό το νανοδευτερόλεπτο είναι πραγματικά συναρπαστικό».
Τα αποτελέσματα της ομάδας επισημάνθηκαν από έναν συντάκτη στο Physical Review Letters. Σε ένα σχόλιο, ο αντίστοιχος συντάκτης Merric Stephens είπε: «Αρχικά, το ωστικό κύμα άλλαξε τη δομή του σιδήρου από κυβικό στο κέντρο σε εξάγωνο, κάτι που η ομάδα περίμενε να συμβεί. Η εξαγωνική δομή στη συνέχεια παραμορφώθηκε ελαστικά για αρκετά νανοδευτερόλεπτα προτού υποχωρήσει, μετά την οποία προσαρμόστηκε στην καταπόνηση αναδιατάσσοντας τον εαυτό της σε ζεύγη δίδυμων κρυστάλλων - μια διαδικασία που συνεχίστηκε ακόμη και αφού η τάση είχε πέσει κάτω από την τάση διαρροής.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, μόνο και μόνο η δυνατότητα μέτρησης των αλλαγών που συμβαίνουν τόσο γρήγορα είναι ένα επιτυχημένο αποτέλεσμα από μόνο του. «Το γεγονός ότι η αδελφοποίηση συμβαίνει στη χρονική κλίμακα που μπορούμε να το μετρήσουμε ως σημαντικό αποτέλεσμα από μόνο του», είπε η Μέρκελ.
Πριν από αυτό το πείραμα, μεγάλο μέρος της κατανόησής μας για τον σίδηρο προέρχεται από την παρατήρηση του στοιχείου κάτω από λιγότερο ακραίες συνθήκες και στη συνέχεια τη μοντελοποίηση του προς τα εμπρός, σε υψηλότερα άκρα. Αλλά αυτά τα αποτελέσματα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.
«Τώρα μπορούμε να δώσουμε ένα μπράβο, αντίχειρα σε ορισμένα από τα μοντέλα φυσικής για πραγματικά θεμελιώδεις μηχανισμούς παραμόρφωσης», λέει ο Gleason. 'Αυτό βοηθά στη δημιουργία μερικών από την προγνωστική ικανότητα που μας λείπει για τη μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο τα υλικά αντιδρούν σε ακραίες συνθήκες.'
Ο Gleason λέει ότι το πρόσφατα αναβαθμισμένο LCLS επέτρεψε αυτό το πείραμα να πραγματοποιηθεί και θα οδηγήσει σε περισσότερα. 'Το μέλλον είναι λαμπρό τώρα που έχουμε αναπτύξει έναν τρόπο να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις', λέει ο Gleason. 'Η πρόσφατη αναβάθμιση του κυματιστή ακτίνων Χ ως μέρος του έργου LCLS-II επιτρέπει υψηλότερες ενέργειες ακτίνων Χ - επιτρέποντας μελέτες σε παχύτερα κράματα και υλικά που έχουν χαμηλότερη συμμετρία και πιο σύνθετα δακτυλικά αποτυπώματα ακτίνων Χ'.
Αυτό το πείραμα έδωσε αποτελέσματα που κανείς δεν είχε παρατηρήσει ποτέ πριν. Αλλά ακόμη και με την επιτυχία, η ομάδα δεν μπόρεσε να αντιγράψει τις ακραίες συνθήκες στον εσωτερικό πυρήνα της Γης. Κατάφεραν μόνο να αντιγράψουν τον εξωτερικό πυρήνα. Αλλά στο μέλλον, αυτό θα αλλάξει.
«…θα αποκτήσουμε πιο ισχυρά οπτικά λέιζερ με την έγκριση για να προχωρήσουμε σε μια νέα ναυαρχίδα εγκατάσταση λέιζερ πετάβατ, γνωστή ως MEC-U», λέει ο Gleason. «Αυτό θα κάνει τη μελλοντική δουλειά ακόμα πιο συναρπαστική γιατί θα είμαστε σε θέση να φτάσουμε στις συνθήκες του εσωτερικού πυρήνα της Γης χωρίς κανένα πρόβλημα».
Το νέο λέιζερ θα στεγαστεί σε μια υπόγεια εγκατάσταση συνδεδεμένη με το υπάρχον LCLS της SLAC. Το λέιζερ petawatt θα παράγει ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια βατ και θα μπορεί να μελετά υλικά στα πιο ακραία περιβάλλοντα που μπορεί κανείς να φανταστεί. Το Matter in Extreme Conditions Upgrade (MEC-U) «… υπόσχεται να βελτιώσει δραματικά την κατανόησή μας για τις συνθήκες που απαιτούνται για την παραγωγή ενέργειας σύντηξης και την αναπαραγωγή ενός ευρέος φάσματος αστροφυσικών φαινομένων εδώ στη Γη», σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας.
Σε μια νέα υπόγεια πειραματική εγκατάσταση σε συνδυασμό με τη Συνεκτική Πηγή Φωτός Linac (LCLS) της SLAC, δύο υπερσύγχρονα συστήματα λέιζερ - ένα λέιζερ υψηλής ισχύος petawatt και ένα λέιζερ υψηλής ενέργειας kilojoule - θα τροφοδοτήσουν δύο νέες πειραματικές περιοχές αφιερωμένες. στη μελέτη των θερμών πυκνών πλάσματος, της αστροφυσικής και της πλανητικής επιστήμης. (Gilliss Dyer/SLAC National Accelerator Laboratory)
Έχουν γίνει πολλές σκέψεις και θεωρίες σχετικά με την κατάσταση του σιδήρου στις ακραίες συνθήκες στον πυρήνα της Γης. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η αδελφοποίηση θα γινόταν, όπως συμβαίνει και με άλλα υλικά, αλλά δεν ήταν σίγουροι. Τώρα υπάρχουν πειραματικά δεδομένα για να υποστηρίξουν ορισμένες από αυτές τις σκέψεις και να διαψεύσουν άλλα συμπεράσματα.