Synchrotron odkrywa ukryty materiał fotoniczny

Naukowcy zaprezentowali bardziej precyzyjny manometr wykorzystujący zaawansowane promienie rentgenowskie, ujawniając, że wewnętrzne jądro Ziemi zawiera dwa razy więcej lekkiej materii niż wcześniej szacowano. Ich metodologia zapewnia łatwiejszą drogę do przyszłych pomiarów naprężeń.

W badaniu opublikowanym 8 września w czasopiśmie Nauka postępujezespół naukowców zidentyfikował nową miarę ciśnienia, która ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia powstawania Ziemi.

Korzystanie z promieni rentgenowskich z wyjątkowo potężnego spektrometru Rikena wiosna-8 Uniknęli niektórych dużych przybliżeń z poprzednich prac i odkryli, że poprzedni pomiar zawyżał ciśnienie o ponad 20% przy 230 GPa (2,3 miliona atmosfer), czyli ciśnieniu osiąganym w jądrze Ziemi. Przypomina to sytuację, gdy ktoś przebiegł maraton, który według niego miał długość 42 kilometrów, a okazało się, że przebiegł tylko 34 kilometry. Chociaż 20% może wydawać się skromną korektą, ma to ogromne konsekwencje.

Konsekwencje dla powstawania Ziemi

Dokładny manometr ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia składu Ziemi. W szczególności podstawowy skład jest przedmiotem gorących dyskusji, ponieważ jest ważny dla zrozumienia naszej planety obecnie i ewolucji Układu Słonecznego w odległej przeszłości.

Chociaż ogólnie przyjmuje się, że rdzeń składa się głównie z żelaza, dowody pochodzące ze śledzenia propagacji fal sejsmicznych powstałych podczas trzęsień ziemi sugerują, że rdzeń zawiera również lżejszy materiał.

Kiedy do interpretacji modelu sejsmicznego wykorzystano nową skalę, zespół odkrył, że ilość lekkiej materii w jądrze wewnętrznym była około dwukrotnie większa niż wcześniej oczekiwano, a w rzeczywistości całkowita masa lekkiej materii w całym jądrze była prawdopodobnie pięciokrotnie większa . Albo raczej skorupa ziemska – warstwa, na której żyjemy.

Metodologia Badań

W nowej pracy zespół kierowany przez Alfreda Q. R. Barona z RIKEN SPring-8 Center, Daigo Ikutę i Eiji Ohtani z Uniwersytetu Tohoku wykorzystał nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich (IXS) do pomiaru prędkości dźwięku próbki renu pod ciśnieniem ciśnienie. Małą próbkę renu (<0,000000001 grama = 1 ng) poddano intensywnemu ciśnieniu, miażdżąc ją pomiędzy dwoma kryształami diamentu w diamentowym ogniwie kowadełkowym (DAC).

Komórkę umieszczono w dużym spektrometrze IXS w BL43LXU (rysunek 2) i dokładnie zmierzono małe przesunięcia (~1 ppm) rozproszonej energii rentgenowskiej renu, co umożliwiło badaczom określenie prędkości dźwięku renu . .

Określili zarówno prędkość ściskającą/wzdłużną, jak i ścinającą/poprzeczną dźwięku oraz gęstość renu. Umożliwiło to badaczom określenie naprężenia, na jakie narażony był ren.

Gęstość renu jako wskaźnik ciśnienia

Nowe badanie wykazało bezpośredni związek między gęstością renu a ciśnieniem. „Gęstość renu pod wysokim ciśnieniem można łatwo i szybko zmierzyć, a na całym świecie istnieje wiele obiektów, w których można przeprowadzić takie pomiary” – mówi Baron. Jednak pomiar prędkości dźwięku jest znacznie trudniejszy i przy takich ciśnieniach jest prawdopodobnie wykonalny jedynie przy użyciu spektrometru RIKEN w BL43LXU na SPring-8.

Zespół wykonał ogromny wysiłek, dzięki czemu inni naukowcy mogą teraz używać znacznie łatwiejszej do zmierzenia gęstości do określania ciśnienia.

Jak mówią Ikuta, Ohtani i Baron: „Kiedy wykorzystaliśmy nasz nowy pomiar do interpretacji zachowania metalicznego żelaza pod wysokim ciśnieniem i porównaliśmy go z sejsmicznym modelem Ziemi, odkryliśmy, że lżejsza materia ukryta w jądrze wewnętrznym jest prawdopodobnie około dwukrotnie większa od tak duże, jak wcześniej oczekiwano. Podobnych zmian, być może nawet większych, można się spodziewać, biorąc pod uwagę strukturę innych planet. Nasza praca wskazuje również na ponowną ocenę zależności ciśnienia prawie wszystkich właściwości materiałów mierzonych przy ciśnieniach podobnych lub większych niż ciśnienie rdzenia.

Odniesienie: „Wykrywanie deficytu gęstości w jądrze Ziemi za pomocą wielomegabarowego barometru pierwiastków” autorstwa Daigo Ikuty, Eiji Ohtani, Hiroshi Fukui, Tatsuya Sakamaki, Rolf Heide, Daisuke Ishikawa i Alfred Q. R. Barron, 8 września 2023 r., Nauka postępuje.
doi: 10.1126/sciadv.adh8706