物理学者のチームは、鉄のサンプルにレーザー光線を照射することで、実験室で「スーパーアース」惑星の内部状態を再現しようと試みた。
スーパーアースは太陽系外惑星の一種です。地球よりも質量は大きいですが、天王星や海王星ほどではありません。これらの巨大惑星の質量は、地球の約15倍と約17倍です。
Science Advances誌に掲載された論文では、科学者が岩石核をシミュレートすることで、スーパーアースを実際に研究する方法が説明されている。2種類の異なる鉄サンプルに強力なレーザービームを照射した。1つは地球の核によく似ており、もう1つはシリコンの含有量が多い。
これまでの研究で、スーパーアースの半径が地球の約1.7倍未満の場合、固体の岩石核を持つ可能性が高いことが示されています。それよりも大きい場合は、海王星に似た性質を持つ傾向があり、明確な表面を持たず、ガス層に包まれています。
研究論文の主執筆者でジョンズ・ホプキンス大学の助教授であるジューン・ウィックス氏は、 The Registerに対し、地球の中心の10倍にも達する超巨大惑星の圧倒的な圧力を再現するのは難しいと説明した。
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「私たちはサンプルに非常に強力なレーザーを照射し、短いバーストで最高の強度に達することができます。これにより、最終的には実験の時間スケールが制限されます」と彼女は説明した。
これらの実験は、サンプルに極度の圧力をかけるだけでなく、高輝度レーザーを金属箔に集光することで生成される高輝度X線源と組み合わせるという点でも困難を極めています。これほど強力なレーザーの照射方向とタイミングをこれほど正確に調整することは、オメガレーザーのオペレーターチームが成し遂げた偉業です。
ロチェスター大学のオメガレーザーは、約10億分の1秒で60本のビームを発射し、直径1ミリメートル未満のターゲットに最大4万ジュールのエネルギーを集中させることができます。
シミュレーションはわずか数十億分の1秒程度しか持続しません。科学者たちはX線の回折の様子を観察することで、試料の内部構造を詳細に把握することができます。超高圧下では、シリコン含有量の低い合金は高密度の六方晶構造を形成し、シリコン含有量の高い合金は立方晶構造を形成することが分かりました。
「この原子の違いは計り知れない意味を持つ」とウィックス氏は述べた。「結晶構造に関する知識は、惑星内部を構成する物質に関する最も基本的な情報であり、他のすべての物理的・化学的特性は結晶構造から導かれる。」
これは惑星の磁場や熱の分散に影響を与え、科学者が惑星の質量と半径を推定することを可能にします。研究者たちは、将来的に鉄合金のサンプルに様々な元素を含めることを目指しています。
「次に、炭素や酸素といった他の候補元素についても検討します。これらの結果を、論文で示したようなスーパーアースのモデルに組み込み、軽い元素が内部圧力やコアのサイズといった重要なパラメータにどのような影響を与えるかを検討します」とウィックス氏はEl Reg誌に語った。®
