Μια νέα εξίσωση κατάστασης υπέρ-υψηλής πίεσης για το σίδερο δίνει μια εικόνα για τους εσωτερικούς χώρους της Super-Earth
Οι γνώσεις μας για το εσωτερικό της Γης προέρχονται από τη μελέτη των σεισμικών κυμάτων κατά τη διάρκεια σεισμών, τις παρατηρήσεις διαφορετικών τύπων πετρωμάτων, τα εργαστηριακά πειράματα και τα μαγνητικά και βαρυτικά στοιχεία. Αλλά πώς μπορούμε να μελετήσουμε το εσωτερικό των εξωπλανητών, πλανητών που περιφέρονται γύρω από αστέρια άλλα από τον Ήλιο μας, τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά;
Περίπου χίλιες υπερ-Γαίες, εξωπλανήτες μέχρι το διπλάσιο του πλανήτη μας, έχουν ήδη ανακαλυφθεί με τη βοήθεια διαφόρων διαστημικών και επίγειων τηλεσκοπίων. Ο σίδηρος θεωρείται ότι είναι το κύριο συστατικό των πυρήνων των υπερ-γαιών. Τα αριθμητικά μοντέλα, τα οποία είναι βασικά για την κατανόηση της δομής του εσωτερικού των υπερ-γαιών, χρησιμοποιούν την εξίσωση κατάστασης για το σίδηρο που ουσιαστικά δίνει την πυκνότητα του σιδήρου σε υψηλές πιέσεις. Η έλλειψη ακριβούς εξίσωσης εξαιρετικά υψηλής πίεσης δεδομένων κατάστασης για το σίδηρο αποτελεί εμπόδιο σε αυτό το πεδίο έρευνας.
Οι πιέσεις στα κέντρα των υπερ-γαιών είναι εξαιρετικά υψηλές, έως και περίπου 100 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση στον πλανήτη μας (10 tera-pascals). Τέτοιες πιέσεις δεν μπορούν να δημιουργηθούν ακόμη σε κανένα εργαστήριο. Τότε είναι που έρχονται να μας σώσουν οι πρώτες αρχές της κβαντικής μηχανικής.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Icarus , Kaustubh Hakim από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και Vrije Universiteit, Attilio Rivoldini και Tim Van Hoolst από το Βασιλικό Αστεροσκοπείο του Βελγίου, Stefaan Cottenier και Jan Jaeken από το Πανεπιστήμιο της Γάνδης και Gerd Steinle-Neumann και Thomas Chust από το Universität Bayreut, και υλοποίησαν το θεωρία για την εξαγωγή μιας νέας εξίσωσης κατάστασης σιδήρου που ισχύει έως και 1370 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση (137 tera-pascals).
Οι εξισώσεις κατάστασης για το σίδηρο που είναι διαθέσιμες στη βιβλιογραφία είναι προσαρμοσμένες για τις πιέσεις στο εσωτερικό της Γης. Η σύγκριση αυτής της νέας εξίσωσης κατάστασης για το σίδηρο με προηγούμενες εξισώσεις δείχνει ότι οι παρεκβολές προηγούμενων εξισώσεων πέρα από το εύρος εγκυρότητάς τους προβλέπουν τη λανθασμένη πυκνότητα του σιδήρου έως και 20% στην πίεση των 10 tera-pascals. Επιπλέον, οι συγγραφείς δείχνουν ότι τέτοιες ανακρίβειες οδηγούν σε λανθασμένες εκτιμήσεις σχετικά με τις εσωτερικές ιδιότητες των υπερ-γαιών, ενισχύοντας τη σημασία της χρήσης της πρόσφατα υπολογισμένης εξίσωσης υπερ-υψηλής πίεσης της κατάστασης του σιδήρου.
Περαιτέρω, αυτοί οι συγγραφείς εφαρμόζουν αυτή τη νέα εξίσωση κατάστασης σιδήρου για να υπολογίσουν αριθμητικά μοντέλα για εσωτερικούς χώρους υπερ-γαιών. Για τη διερεύνηση του μέγιστου εύρους των πιθανών συνθέσεων, ο πυρήνας είτε θεωρείται ότι είναι κατασκευασμένος από καθαρό σίδηρο είτε από κράμα σιδήρου με 80% την πυκνότητα καθαρού σιδήρου και ο μανδύας είτε από καθαρό MgSiO3 ή καθαρό FeSiO3 (καθαρό FeSiO3 είναι πολύ απίθανο, αλλά δίνει ένα ανώτερο όριο στην πυκνότητα του μανδύα). Αυτά τα αριθμητικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θεωρητικών σχέσεων μάζας-ακτίνας, οι οποίες καθιστούν δυνατή την οπτική ταξινόμηση των παρατηρούμενων υπερ-γαιών με μετρημένη μάζα και ακτίνα.
Με βάση το σχετικό μέγεθος του πυρήνα, οι υπερ-Γη ταξινομούνται σε Σελήνης (μικρός πυρήνας), γήινος (μεσαίος πυρήνας), υδράργυρος (μεγάλος πυρήνας) ή γυμνός πυρήνας υπερ-Γη. Το παρακάτω σχήμα δίνει θεωρητικές σχέσεις μάζας-ακτίνας και επιτρέπει την ταξινόμηση των υπερ-γαιών σε διαφορετικές κατηγορίες. Για παράδειγμα, το CoRoT-7b μπορεί να ταξινομηθεί ως γήινο και σε φεγγάρι, υπονοώντας ότι το σχετικό μέγεθος πυρήνα του CoRoT-7b είναι πιθανότατα μεταξύ αυτού της Σελήνης και της Γης, υποθέτοντας ότι η ατμόσφαιρα στο CoRoT-7b είναι λεπτό ή ανύπαρκτο.
Η αδυναμία αυτών των αριθμητικών μοντέλων να προσδιορίσουν συγκεκριμένα τον τύπο των υπερ-Γαιών από τις σχέσεις μάζας-ακτίνας και μόνο είναι γνωστή στους αστρονόμους και είναι γνωστή ως εκφυλισμός. Ένας από τους τρόπους για να μετριαστεί αυτός ο εκφυλισμός είναι η σύνδεση των αριθμητικών μοντέλων των εξωπλανητών με τη σύνθεση των αστεριών ξενιστών τους, όπως φαίνεται από την Caroline Dorn του ETH Ζυρίχης και τους συγγραφείς στην εργασία τους. Περισσότερες έρευνες διεξάγονται προς αυτή την κατεύθυνση και το μέλλον είναι λαμπρό για τους εξερευνητές του εσωτερικού των υπερ-Γαιών.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο A new ab initio equation of state of hcp-Fe and its implicance on the interior structure and mass-radius relationships of rocky super-Earths, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Kaustubh Hakim από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και το Vrije Universiteit, τους Attilio Rivoldini και Tim Van Hoolst από το Βασιλικό Παρατηρητήριο του Βελγίου, Stefaan Cottenier και Jan Jaeken από του Ghent Universnth Nelestäum και του Ghent Gentreinth-Neerteum και Tim Van Hoolst από το Royal Observatory του Βελγίου.
