Условия ядра Земли воссоздали в установке для термоядерного синтеза

Физики Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) совершили путешествие к центру Земли — пусть и длившееся лишь кратчайшее мгновение. Они не бурили тысячекилометровых скважин, а обстреляли железо мощными лазерами в установке для термоядерного синтеза — и измерили его вязкость. Результаты захватывающих экспериментов опубликованы Nature Communications.

Национальный комплекс лазерных установок (NIF) — самая мощная в мире лазерная установка для изучения термоядерного синтеза и разработки ядерного оружия. На сей раз ее использовали сугубо в мирных целях — для воссоздания условий, царящих во внутреннем ядре нашей планеты — и узнали, как железо меняет свои свойства при таких экстремальных давлениях.

«Железо — основной компонент ядра Земли и других планет земной группы, а его поведение в условиях внутреннего ядра пока изучено недостаточно. Наши результаты дают важные экспериментальные ориентиры для реологии железа — то есть физики его деформации и течения — в условиях, приближенных к земному ядру», — объясняет физик LLNL Ен Джэ Ким, один из ведущих авторов статьи.

«До сих пор измерения реологии железа в условиях температур и давлений, характерных для внутреннего ядра, были крайне затруднительны — ни один лабораторный метод не позволял одновременно охватить весь этот диапазон параметров на протяжении времени, достаточном для развития течения материала, и при этом обеспечить возможность диагностики в реальном времени», — добавляет его коллега Гайя Риги, также ведущий автор.

В ходе подготовки к экспериментам она просчитала множество конфигураций мишеней и форм лазерных импульсов — необходима была твердая уверенность, что давление удастся довести до 3 миллионов атмосфер, температуру до 5000 °C, и материал не успеет расплавиться.

Обстреляли лазерами со всех сторон

Лазеры стреляли по квадратной мишени размером 5,35 мм, состоящей из нескольких слоев различных материалов, при этом поверхность железа сделали рифленой. Специальными подсвечивающими пучками индуцировали жесткое рентгеновское излучение, чтобы получить изображение мишени и оценить рост неровностей в каждый момент времени; измеряя с помощью дополнительного оптического лазера VISAR скорость движения тыльной поверхности мишени, определяли достигнутое давление.

Полученные результаты прогнали через радиационно-гидродинамические и молекулярно-динамические симуляции — чтобы понять, что происходило в в железе на атомарном уровне.

Оказалось, под воздействием экстремального давления в железе происходит фазовый переход, то есть перестройка кристаллической решетки, что дополнительно измельчает его микроструктуру, дробя ее на мелкие зерна. Эти изменения влияют на его реологические свойства. Высокобарическая ε-фаза железа, полученная из исходного монокристалла α-железа с ориентацией [001], стабильно проявляет большую прочность, чем образцы с ориентацией [111] — в обычных условиях все с точностью до наоборот.

Твердое ядро оказалось мягче

Измеренная вязкость облучаемого железа оказалась на 12–16 порядков меньше, чем должна быть в ядре, согласно геофизическим моделям. Но прямо переносить результаты экспериментов на ядро нельзя, потому что в лаборатории скорость деформации была стремительной, а в центре Земли эти условия постоянны.

«Понимание прочности материалов и ее зависимости от микроструктуры в условиях внутреннего ядра Земли важно, поскольку это может влиять на сейсмическую анизотропию — то есть на то, как сейсмические волны распространяются через внутреннее ядро, а это, в свою очередь, связано с динамикой ядра и историей магнитного поля нашей планеты», — резюмирует Ким.

В планах исследователей — изучение области смешения между внутренним и внешним ядром Земли.