Ilustra??o do exoplaneta da superterra
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Os investigadores demonstraram, através de experiências com laser de alta energia, que o óxido de magnésio é provavelmente o primeiro mineral a solidificar na formação da super-Terra, impactando crucialmente a evolução geofísica destes planetas.

Um novo estudo revela que o óxido de magnésio, um mineral chave na formação planetária, pode ser o primeiro a solidificar no desenvolvimento de exoplanetas “super-Terras”, com o seu comportamento sob condições extremas a influenciar significativamente o desenvolvimento planetário.

Os cientistas observaram pela primeira vez como os átomos do óxido de magnésio se transformam e derretem em condições ultra-duras, fornecendo novos insights sobre este mineral chave no manto da Terra, que é conhecido por influenciar a formação do planeta.

Experimentos com laser de alta energia – que submeteram pequenos cristais do mineral ao tipo de calor e pressão encontrados nas profundezas do manto de um planeta rochoso – sugerem que o composto pode ser o primeiro mineral a se solidificar nos oceanos de magma, formando exoplanetas “super-Terras”. .

“O óxido de magnésio pode ser o sólido mais importante que controla a termodinâmica das jovens super-Terras”, disse June Wicks, professora assistente de Ciências da Terra e Planetárias na Universidade Johns Hopkins que liderou a investigação. “Se tiver esta temperatura de fusão muito elevada, seria o primeiro sólido a cristalizar quando um planeta quente e rochoso começa a arrefecer e o seu interior separa-se num núcleo e num manto.”

Implicações para planetas jovens

As descobertas foram publicadas recentemente em Avanços da Ciência.

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Eles sugerem que a forma como o óxido de magnésio transita de uma forma para outra pode ter implicações importantes para os factores que controlam se um planeta jovem será uma bola de neve ou uma rocha derretida, desenvolverá oceanos ou atmosferas de água, ou terá uma mistura dessas características.

“Nas super-Terras terrestres, onde este material será um grande componente do manto, a sua transformação vai contribuir significativamente para a rapidez com que o calor se move no interior, o que vai controlar como o interior e o resto do o planeta se forma e se deforma ao longo do tempo”, disse Wicks. “Podemos pensar nisto como um substituto para os interiores destes planetas, porque será o material que controlará a sua deformação, um dos mais importantes blocos de construção dos planetas rochosos.”

Experimentos a laser com óxido de magnésio
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Vista de experimentos conduzidos por laser de óxido de magnésio comprimido por choque (MgO) dentro da câmara do Laboratório de Energética de Laser. Feixes de laser de alta potência são usados ​​para comprimir amostras de MgO a pressões além daquelas encontradas no centro da Terra. Uma fonte secundária de raios X é usada para sondar a estrutura cristalina do MgO. Regiões mais brilhantes são emissões de plasma brilhantes em escalas de tempo de nanossegundos. Crédito: June Wicks/Universidade Johns Hopkins

Maior que a Terra, mas menor que gigantes como Netuno ou Uranoas super-Terras são alvos-chave em exoplaneta pesquisas porque são comumente encontrados entre outros sistemas solares da galáxia. Embora a composição desses planetas possa variar de gás a gelo ou água, espera-se que as super-Terras rochosas contenham quantidades significativas de óxido de magnésio que podem influenciar o campo magnético do planeta, o vulcanismo e outras geofísicas importantes, como fazem na Terra, disse Wicks. .

Para imitar as condições extremas que este mineral pode suportar durante a formação do planeta, a equipe de Wick submeteu pequenas amostras a pressões ultra-altas usando a instalação de laser Omega-EP no Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester. Os cientistas também dispararam raios X e registaram como esses raios de luz ricocheteavam nos cristais para acompanhar como os seus átomos se reorganizavam em resposta às pressões crescentes, observando especificamente em que ponto se transformaram de sólido em líquido.

Quando espremidos com extrema força, os átomos de materiais como o óxido de magnésio mudam seu arranjo para sustentar as pressões de esmagamento. É por isso que o mineral transita de uma “fase” de sal-gema, semelhante ao sal de cozinha, para uma configuração diferente, como a de outro sal chamado cloreto de césio, à medida que a pressão aumenta. Isso provoca uma transformação que pode afetar a viscosidade de um mineral e o impacto no planeta à medida que ele atinge a maioridade, disse Wicks.

Estabilidade do Óxido de Magnésio em Altas Pressões

Os resultados da equipe mostram que o óxido de magnésio pode existir em ambas as suas fases, a pressões que variam de 430 a 500 gigapascais e temperaturas de cerca de 9.700 Kelvin, quase duas vezes mais quente que a superfície do Sol. As experiências também mostram que as pressões mais elevadas que o mineral pode suportar antes de derreter completamente são superiores a 600 gigapascais, cerca de 600 vezes a pressão que se sentiria nas fossas mais profundas do oceano.

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“O óxido de magnésio derrete a uma temperatura muito mais elevada do que qualquer outro material ou mineral. Os diamantes podem ser os materiais mais duros, mas é o que derreterá por último”, disse Wicks. “Quando se trata de materiais extremos em planetas jovens, o óxido de magnésio provavelmente será sólido, enquanto tudo o mais que estiver pendurado no manto se transformará em líquido.”

O estudo mostra a estabilidade e simplicidade do óxido de magnésio sob pressões extremas e pode ajudar os cientistas a desenvolver modelos teóricos mais precisos para investigar questões-chave sobre o comportamento deste e de outros minerais em mundos rochosos como a Terra, disse Wicks.

“O estudo é uma carta de amor ao óxido de magnésio, porque é incrível que ele tenha o ponto de fusão mais alto que conhecemos – em pressões além do centro da Terra – e ainda se comporte como um sal normal”, disse Wicks. “É simplesmente um sal lindo e simples, mesmo nessas pressões e temperaturas recordes.”

Referência: “Transição B1-B2 em MgO comprimido por choque” por June K. Wicks, Saransh Singh, Marius Millot, Dayne E. Fratanduono, Federica Coppari, Martin G. Gorman, Zixuan Ye, J. Ryan Rygg, Anirudh Hari, Jon H. Eggert, Thomas S. Duffy e Raymond F. Smith, 7 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adk0306

Outros autores são Saransh Singh, Marius Millot, Dayne E. Fratanduono, Federica Coppari, Martin G. Gorman, Jon H. Eggert e Raymond F. Smith do Laboratório Nacional Lawrence Livermore; Zixuan Ye e Anirudh Hari, da Universidade Johns Hopkins; J. Ryan Rygg, da Universidade de Rochester; e Thomas S. Duffy de Universidade de Princeton.

Esta pesquisa foi apoiada pela NNSA através do Programa Nacional de Instalações para Usuários de Laser sob os contratos nºs DE-NA0002154 e DE-NA0002720 e do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório no LLNL (projeto nº 15-ERD-012). Este trabalho foi realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore sob o contrato nº DE-AC52-07NA27344. A pesquisa foi apoiada pela Administração Nacional de Segurança Nuclear por meio do Programa Nacional de Instalações para Usuários de Laser (contratos nºs DE-NA0002154 e DE-NA0002720) e do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório no LLNL (projetos nºs 15-ERD-014, 17 -ERD-014 e 20-ERD-044).



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