物理学家|地球外核的强烈高压条件已在实验室中重现行星|科学家|激光器

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在地球表面下数千公里处，在极端的压力和灼热的温度下，我们可以找到我们这颗行星的核心。在那里，一个由镍和铁组成的实心球内核在外核内超级旋转，在那里铁和镍是流体。
法国里尔大学（University Of Lille）物理学家塞巴斯蒂安·默克尔（Sébastien Merkel）领导的一个研究小组，现在已经在实验室中重现了这个外核的条件，科学家们已经能够观察到铁的结构变形。
这不仅有助于理解我们的星球，还能帮助我们更好地理解大块的铁在太空中碰撞时，会发生什么。
美国能源部SLAC国家加速器实验室的物理学家阿里安娜·格里森（Arianna Gleason）表示说：“我们还没有完全达到核心条件。但我们达到了地球外核的条件，这已经是真的很了不起了。 ”
在正常的地球条件下，铁的晶体结构是立方体晶格。原子排列成网格，每个立方体的角上有一个原子，中心有一个原子。当铁在极高的压力下被压缩时，这个晶格就会改变形状，变形成一个六边形的结构。这使得更多的原子可以被塞进相同体积的空间中。
但是，科学家们很难知道在更高的压力和温度下会发生什么 —— 就像地球核心那样。然而，近年来，激光技术已经发展到这样一个程度，在实验室环境中，小样本可以承受极端条件，例如白矮星中的压力和温度。
为此， SLAC的团队部署了两个激光器。第一种是光学激光，对铁的微观样品发射，使其受到产生强烈压力和热量的冲击。
地球外核的压力范围在135到330吉帕斯卡（130到330万大气压）之间，温度在4000到5000开尔文（3727到4727摄氏度）之间。该样品承受了高达187吉帕斯卡的压力和高达4070开尔文的温度。
接下来，也可以说是更具挑战性的部分，是在这个过程中科学家们测量铁的原子结构。为此，该团队使用了SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）X 射线自由电子激光器，在光学激光器发射时探测样品。
物理学家阿里安娜·格里森解释道：“我们能够在十亿分之一秒内进行测量。在那 1 纳秒内冻结原子真的很令人兴奋。 ”
由此产生的图像被编译成一个序列，显示出铁对这些条件下产生的额外应力的反应是孪生的。这是当晶格变得如此压缩，以至于一些晶格点以对称的方式被多个晶体共享时。
对于外地核条件下的铁来说，这意味着原子排列受到推动，使得六边形的形状旋转了近90度。研究人员说，这种机制使这种金属能够承受极端情况。
物理学家阿里安娜·格里森认为：“孪生使铁变得非常坚固（比我们最初想象的要强），然后它才开始在更长的时间尺度上塑性流动。 ”
既然我们知道铁在这种条件下的行为，这些信息就可以纳入模型和模拟。例如，这对我们理解空间碰撞有重要的意义。地核被整齐地藏在行星内部，但也有一些高度金属化的小行星是暴露的、裸露的行星核心，它们的形成被破坏了。
这些物体可能会与其他物体发生碰撞，从而使其中的铁的结构变形。现在我们对这是如何发生的有了更好的了解。当然，我们现在对我们自己的星球有了更多的了解。
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【物理学家|地球外核的强烈高压条件已在实验室中重现】