Une étude montre que l'oxyde de magnésium subit une transition dynamique lorsqu'il s'agit d'exoplanètes super-Terre

Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l’Université Johns Hopkins ont dévoilé de nouveaux secrets sur l’intérieur des exoplanètes super-Terres, révolutionnant potentiellement notre compréhension de ces mondes lointains.

Au centre de ces travaux, l'oxyde de magnésium (MgO), un composant crucial du manteau inférieur de la Terre, jouerait un rôle similaire dans les manteaux des exoplanètes rocheuses massives. Connu pour sa structure cristalline simple de sel gemme (B1) et son importance géophysique, le comportement du MgO dans des conditions extrêmes intrigue depuis longtemps les scientifiques.

Les super-Terres, planètes dont la masse et le rayon sont plus grands que la Terre mais plus petits que les géantes de glace comme Neptune, sont souvent considérées comme ayant des compositions similaires à celles des planètes telluriques de notre système solaire. Compte tenu des pressions et des températures extrêmes dans leur manteau, MgO devrait passer de sa structure B1 à une structure de chlorure de césium (B2). Cette transformation modifie considérablement les propriétés de MgO, notamment une diminution spectaculaire de la viscosité, ce qui peut affecter considérablement la dynamique interne de la planète.

Pour identifier la pression à laquelle se produit cette transition, l’équipe et les collaborateurs du LLNL ont conçu une nouvelle plateforme expérimentale. Cette plateforme combine la compression par choc laser avec des mesures simultanées de pression, de structure cristalline, de température, de texture microstructurale et de densité, une approche sans précédent.

En menant 12 expériences dans l'installation laser Omega-EP du Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester, les scientifiques ont comprimé le MgO à des pressions ultra-élevées allant jusqu'à 634 GPa (6,34 millions d'atmosphères) pendant plusieurs nanosecondes. À l’aide d’une source de rayons X nanoseconde, ils ont sondé la structure atomique du MgO dans ces conditions.

Les résultats ont été frappants : la transition de phase B1 à B2 dans MgO s'est produite dans la plage de pression de 400 à 430 GPa à une température torride d'environ 9 700 K. Au-delà de 470 GPa, une coexistence B2-liquide a été observée, avec une fusion complète à 634 GPa.

“Cette étude fournit les premières contraintes directes au niveau atomique et thermodynamiques du début pression-température de la transformation de phase B1 en B2 et représente les données de diffraction des rayons X à la température la plus élevée jamais enregistrées”, a déclaré Ray Smith, scientifique du LLNL, auteur d'un ouvrage. article publié dans Avancées scientifiques. “Ces données sont essentielles au développement de modèles précis des processus intérieurs de la super-Terre.”

La transition B1 – B2 est un modèle pour d’autres transformations de phase structurelles, attirant des décennies de recherche théorique axée sur les voies atomiques facilitant ce changement. En utilisant un modèle avancé pour simuler les conditions de diffraction des rayons X, l’équipe de recherche a pu clarifier le mécanisme de la transition B1-B2 dans MgO.

“Nos données de diffraction des rayons X fournissent des mesures directes des changements au niveau atomique du MgO sous compression par choc et la première détermination d'un mécanisme de transition de phase aux pressions profondes du manteau des exoplanètes super-Terre”, a déclaré Saransh Soderlind, scientifique au LLNL.

Parmi les autres contributeurs à l'étude figurent les scientifiques du LLNL, Marius Millot, Dayne Fratanduono, Federica Coppari, Martin Gorman et Jon Eggert, ainsi que des collaborateurs de l'Université Johns Hopkins, de l'Université de Rochester, de l'Université de Princeton et du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC.