Экстремальное сжатие силиката магния помогло воссоздать условия земной мантии
Американские физики синтезировали сверхплотную форму минерала бриджманита, а потом сжали образец вдвое, чтобы смоделировать условия мантии планеты. Оказалось, что материал из которого состоит мантия, более тугоплавкий, чем считалось до этого. Полученные результаты помогут больше узнать о планетах подобных Земле и их свойствах. Статья опубликована в Nature Communications.
Нижняя мантия Земли состоит в основном из минерала бриджманита, который представляет собой силикат магния. Бриджманит образуется при высоком давлении, которое создается внутри мантии планеты. Опускаясь глубже к ядру, он переходит в другую форму — постперовскит. Точные измерения плотности бриджманита и постперовскита в зависимости от давления и температуры могут сильно помочь в исследовании Земли и планет земного типа — мантии таких планет состоят в основном из смеси силикатов магния и железа.
Чем тяжелее планета, тем выше давление в мантии — при достижении планетой десяти земных масс давление в ее мантии будет составлять примерно 1400 гигапаскалей. Однако до сих пор максимальное статическое давление, которого удавалось достичь для бриджманита в лабораторных условиях, составляет 170 гигапаскалей при высокой температуре, и 260 — при комнатной. Исследование фазового состава при этом делается с помощью рентгенодифракционного анализа в ячейке с алмазными наковальнями. Такое давление можно получить с использованием ударного сжатия, но для построения фазовых диаграмм и исследования плавления вещества это не подходит, так как процесс плавления сильно зависит от исходной плотности материала.
Обычно в экспериментах по исследованию плотности силиката магния в качестве исходного материала выступает энстатит — один из минералов на основе силиката магния. Из-за его низкой плотности (менее 3,2 грамм на кубический сантиметр) плавление наступает слишком рано, даже не достигнув 180 гигапаскалей. Поэтому для измерений выше этого давления ученым приходится заранее готовить образцы силиката магния повышенной плотности. Максимальное давление, полученное на таком образце, составило 245 гигапаскалей.
Для получения давления выше этого уровня группа ученых под руководством Йингвея Фея (Yingwei Fei) из Института Карнеги синтезировала самую плотную из известных устойчивых форм бриджманита: плотность образца составила 4,1 грамм на кубический сантиметр при нормальных условиях. Для этого они использовали ячейку с несколькими наковальнями, создав давление 25 гигапаскалей при температуре 1400 градусов Цельсия. Далее авторы подвергли полученные образцы экстремальному сжатию. Для этого они разгоняли металлический груз сильным магнитным полем, сталкивая его с образцом — такой способ позволяет достичь давления выше 1000 гигапаскалей. Скорость груза варьировалась от 9,51 до 30 километров в секунду. Скорость грузов и степень сжатия образца измерялись с помощью лазерной интерферометрии, которая часто используется в таких исследованиях.
Проведенный эксперимент позволил физикам изучить поведение силиката магния в диапазоне давлений от 296 до 1207 гигапаскалей. Из полученных данных, авторы сделали вывод, что бриджманит переходит в постперовскит даже при минимальном давлении эксперимента — 296 гигапаскалей. Это согласуется с уже имеющимися данными: недавние исследования показали, что этот переход происходит при 125 гигапаскалях. Также авторы показали, что при давлении 500 гигапаскалей происходит переход в жидкую фазу. При этом плотность образца при максимальном давлении повышается более чем в два раза. Изначальная плотность составляет 4,1 грамм на кубический сантиметр, а при максимальном давлении — 8,87 грамм на кубический сантиметр. Авторы использовали теорию функционала плотности для предсказания зависимости плотности от давления. При этом полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с этой зависимостью.
Полученные физиками данные помогут предсказать свойства мантии у планет размером вплоть до восьми земных масс. Сравнительно высокая расчетная температура плавления бриджманита при 500 гигапаскалях, говорит о том, что мантии тяжелых планет земного типа обладают большей вязкостью, чем мантия Земли. Этот фактор может замедлять процесс охлаждения ядер планет и влиять на их другие характеристики, в том числе на магнитное поле.
Ученые часто пытаются получить сверхсжатые материалы и изучить их. Например, недавно физики сжали алмаз до давления в несколько терапаскалей, чтобы узнать, как он ведет себя в ядре планеты. О том, что происходит с веществами под высоким давлением, можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».
Егор Длин
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.