Les chercheurs ont montré, grâce à des expériences avec des lasers à haute énergie, que l'oxyde de magnésium est probablement le premier minéral à se solidifier dans la formation d'une super-Terre, ce qui aura un impact crucial sur l'évolution géophysique de ces planètes.
Une nouvelle étude révèle que l’oxyde de magnésium, un minéral clé dans la formation des planètes, pourrait être le premier à se solidifier lors du développement d’exoplanètes « super-Terre », son comportement dans des conditions extrêmes influençant de manière significative le développement planétaire.
Les scientifiques ont pour la première fois observé comment les atomes de l'oxyde de magnésium se transforment et fondent dans des conditions extrêmement difficiles, fournissant ainsi de nouvelles informations sur ce minéral clé du manteau terrestre, connu pour influencer la formation des planètes.
Des expériences laser à haute énergie, qui ont soumis de minuscules cristaux du minéral au type de chaleur et de pression que l'on trouve au plus profond du manteau d'une planète rocheuse, suggèrent que ce composé pourrait être le premier minéral à se solidifier à partir des océans magmatiques pour former des exoplanètes « super-Terre ». .
« L'oxyde de magnésium pourrait être le solide le plus important contrôlant la thermodynamique des jeunes super-Terres », a déclaré June Wicks, professeur adjoint de sciences de la Terre et des planètes à l'Université Johns Hopkins qui a dirigé la recherche. « S'il avait une température de fusion très élevée, il serait le premier solide à cristalliser lorsqu'une planète rocheuse et chaude commencerait à se refroidir et que son intérieur se séparerait en un noyau et un manteau. »
Implications pour les jeunes planètes
Les résultats sont récemment publiés dans Avancées scientifiques.
Ils suggèrent que la façon dont l'oxyde de magnésium passe d'une forme à une autre pourrait avoir des implications importantes sur les facteurs qui contrôlent si une jeune planète sera une boule de neige ou une roche en fusion, développera des océans d'eau ou des atmosphères, ou aura un mélange de ces caractéristiques.
« Dans les super-Terres terrestres, où ce matériau sera un composant important du manteau, sa transformation va contribuer de manière significative à la rapidité avec laquelle la chaleur se déplace à l'intérieur, ce qui va contrôler la façon dont l'intérieur et le reste de la Terre se déplacent. la planète se forme et se déforme avec le temps », a déclaré Wicks. « Nous pouvons considérer cela comme un indicateur de l'intérieur de ces planètes, car ce sera le matériau qui contrôlera sa déformation, l'un des éléments constitutifs les plus importants des planètes rocheuses. »
Vue d'expériences laser sur l'oxyde de magnésium (MgO) comprimé par choc dans la chambre du Laboratoire d'énergie laser. Des faisceaux laser de haute puissance sont utilisés pour comprimer des échantillons de MgO à des pressions supérieures à celles trouvées au centre de la Terre. Une source secondaire de rayons X est utilisée pour sonder la structure cristalline du MgO. Les régions les plus lumineuses émettent un plasma lumineux sur des échelles de temps de la nanoseconde. Crédit : June Wicks/Université Johns Hopkins
Plus grand que la Terre mais plus petit que les géants comme Neptune ou Uranusles super-Terres sont des cibles clés dans exoplanète recherches car on les trouve couramment parmi d’autres systèmes solaires de la galaxie. Bien que la composition de ces planètes puisse varier du gaz à la glace ou à l'eau, les super-Terres rocheuses devraient contenir des quantités importantes d'oxyde de magnésium qui peuvent influencer le champ magnétique de la planète, le volcanisme et d'autres paramètres géophysiques clés, comme c'est le cas sur Terre, a déclaré Wicks. .
Pour imiter les conditions extrêmes que ce minéral pourrait subir lors de la formation des planètes, l'équipe de Wick a soumis de petits échantillons à des pressions ultra-élevées à l'aide de l'installation laser Omega-EP du Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester. Les scientifiques ont également pris des rayons X et enregistré comment ces rayons lumineux rebondissaient sur les cristaux pour suivre la façon dont leurs atomes se réorganisaient en réponse aux pressions croissantes, en notant spécifiquement à quel moment ils se transformaient d'un solide en un liquide.
Lorsqu’ils sont pressés extrêmement fort, les atomes de matériaux comme l’oxyde de magnésium changent de disposition pour supporter les pressions d’écrasement. C'est pourquoi le minéral passe d'une « phase » de sel gemme ressemblant au sel de table à une configuration différente comme celle d'un autre sel appelé chlorure de césium à mesure que la pression augmente. Cela entraîne une transformation qui peut affecter la viscosité d'un minéral et avoir un impact sur une planète à mesure qu'elle atteint sa maturité, a déclaré Wicks.
Stabilité de l'oxyde de magnésium à haute pression
Les résultats de l'équipe montrent que l'oxyde de magnésium peut exister dans ses deux phases à des pressions allant de 430 à 500 gigapascals et à des températures d'environ 9 700 Kelvin, soit près de deux fois plus chaudes que la surface du soleil. Les expériences montrent également que les pressions les plus élevées auxquelles le minéral peut résister avant de fondre complètement dépassent 600 gigapascals, soit environ 600 fois la pression que l’on ressentirait dans les fosses les plus profondes de l’océan.
« L’oxyde de magnésium fond à une température beaucoup plus élevée que tout autre matériau ou minéral. Les diamants sont peut-être les matériaux les plus durs, mais c'est ce qui fondra en dernier lieu », a déclaré Wicks. « En ce qui concerne les matériaux extrêmes sur les jeunes planètes, l'oxyde de magnésium sera probablement solide, alors que tout le reste qui traînera là-bas dans le manteau sera transformé en liquide. »
L'étude met en valeur la stabilité et la simplicité de l'oxyde de magnésium sous des pressions extrêmes et pourrait aider les scientifiques à développer des modèles théoriques plus précis pour sonder des questions clés sur le comportement de ce minéral et d'autres minéraux dans des mondes rocheux comme la Terre, a déclaré Wicks.
« L'étude est une lettre d'amour à l'oxyde de magnésium, car il est étonnant qu'il ait le point de fusion à la température la plus élevée que nous connaissions – à des pressions au-delà du centre de la Terre – et qu'il se comporte toujours comme un sel ordinaire », a déclaré Wicks. « C'est juste un sel simple et beau, même à ces pressions et températures records. »
Les autres auteurs sont Saransh Singh, Marius Millot, Dayne E. Fratanduono, Federica Coppari, Martin G. Gorman, Jon H. Eggert et Raymond F. Smith du Lawrence Livermore National Laboratory ; Zixuan Ye et Anirudh Hari de l'Université Johns Hopkins ; J. Ryan Rygg de l'Université de Rochester ; et Thomas S. Duffy de université de Princeton.
Cette recherche a été soutenue par la NNSA par le biais du programme national des installations des utilisateurs de laser sous les contrats n° DE-NA0002154 et DE-NA0002720 et du programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du LLNL (projet n° 15-ERD-012). Ce travail a été réalisé sous les auspices du Département américain de l'énergie par le Lawrence Livermore National Laboratory sous le contrat n° DE-AC52-07NA27344. La recherche a été soutenue par la National Nuclear Security Administration par le biais du National Laser Users' Facility Program (contrats n° DE-NA0002154 et DE-NA0002720) et du programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du LLNL (projet n° 15-ERD-014, 17). -ERD-014 et 20-ERD-044).
