Учёные измерили плотность жидкого железа в условиях земного ядра
Одним из самых сложных объектов для исследования является состояние вещества, в котором оно находится в недрах планет. Такое состояние называют тёплым плотным веществом. Это название подчёркивает, что вещество, во-первых, сильно сжато силами давления, которые в расчёте на один атом могут превышать силы межатомного взаимодействия, а во-вторых, нагрето до высоких, но не слишком температур: вещество находится на грани ионизации, но ещё не является в полной мере плазмой как, например, вещество горячих звёзд.
Сложность исследования связана с тем, что получить такие условия в лаборатории чрезвычайно сложно, а в недра планет особо не проникнешь. Тем не менее, что-то всё-таки сделать удаётся.
Проще всего достичь нужного состояния сильно ударив чем-нибудь по образцу: подойдут мощные сфокусированные лазерные импульсы, например. Тогда вещество на долю секунды сожмётся и слегка (на несколько тысяч градусов) нагреется. Проблема такого подхода в том, что, во-первых, это всё же динамический процесс, а в недрах планет вещество находится в состоянии стационарном, и может вести себя по-другому, а во-вторых, из-за чрезвычайно короткой длительности состояния сжатия нужны изощрённые методы диагностики, чтобы измерить что-то релевантное.
Есть и другой подход: небольшой кусочек вещества размещает между сверхострыми алмазными иглами, которые помещаются под высокое давление. Из-за малой площади и высокой твёрдости алмаза так достигается давление в миллионы атмосфер. Этот метод, называемый методом алмазных наковален, набрал огромную популярность в последние годы в связи с успешной реализацией идеи многоступенчатой наковальни: когда в наковальню помещается более мелкая наковальня, внутри которой уже находится изучаемое вещество.
Но есть ещё одна проблема. При таких высоких давлениях многие вещества начинают течь: переходят в жидкое состояние. Именно это происходит в том числе и с железом, из которого по современным представлениям в основном и состоит земное ядро.
Самым надёжным способом определить плотность вещества в наковальне — рентгеновская дифракция. Рентген дифрагирует на атомах, и из-за интерференции рассеянный сигнал содержит информацию о расстояниях между атомами. А зная это расстояние и массу ядер, несложно определить и плотность. Но это легко сделать, когда вещество образует кристалл: все расстояния одинаковые, и сигнал получается ярко выраженным. А в жидкости расстояния между атомами самые разные, и сигнал размывается.
В свежей статье, опубликованной в PRL, учёным удалось решить эту проблему, применив новый более хитрый способ обработки данных рентгеновской дифракции. Это позволило впервые померить плотность железа при давлении до 1,16 млн атмосфер и температуре около 4000 °C. Оказалось, что его плотность при этих параметрах достигает величины в 10,1 г/см³, что на 29% выше, чем при нормальных условиях. Экстраполяция этих данных в область более высоких давлений показала, что плотность чистого железа на 7,5% выше, чем плотность внешнего ядра Земли, которая была измерена сейсмологическими методами, что скорее всего означает, что в ядре находится существенное количество более лёгкого элемента.
Естественно предположить, что таким элементом является кислород. Только вот хорошо известно, что кислород чрезвычайно плохо растворим в железе, поэтому он осел глубже, в твёрдом внутреннем ядре, про которое известно, что оно действительно имеет более низкую плотность, чем чистый железный кристалл. А вот, что обеспечивает малую плотность жидкого ядра пока неизвестно.
