극한의 압력과 온도에서 지구 표면 아래 수천 킬로미터에서 행성의 핵심을 찾을 수 있습니다. 철과 니켈이 액체인 외부 코어 내부에서 표면적으로 회전하는 고체 니켈-철 구체로 구성된 내부 코어가 있습니다.
이 외핵의 조건은 이제 과학자들이 철의 구조적 변형을 관찰할 수 있는 방식으로 프랑스 릴 대학의 물리학자 세바스티안 메르켈이 이끄는 팀에 의해 실험실에서 재현되었습니다.
이것은 지구를 이해하는 데 영향을 미칠 뿐만 아니라 우주에서 철 조각이 충돌할 때 어떤 일이 일어나는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
“우리는 내부적으로 실질적인 조건을 완전히 만들지 않았습니다.” 물리학자 Arianna Gleeson은 다음과 같이 말했습니다. 미국 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소에서. “하지만 우리는 행성의 외핵 조건을 달성했습니다. 정말 멋진 일입니다.”
정상적인 지구 조건에서 철의 결정 구조는 A 입방체 격자. 원자는 격자로 배열되어 각 큐브의 모서리에 원자가 있고 중앙에 하나가 있습니다. 철이 극도로 높은 압력에서 압축되면 이 격자 모양이 변하고 다음과 같이 변형됩니다. 육각형 구조. 이것은 같은 부피의 공간에 더 많은 원자를 포장할 수 있게 합니다.
그러나 지구의 중심부와 같이 더 높은 압력과 온도에서도 무슨 일이 일어나고 있는지 말하기 어렵습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 레이저 기술은 실험실 환경에서 작은 샘플이 백색 왜성에서 발견되는 압력 및 온도와 같은 극한 조건에 노출될 수 있는 지점까지 발전했습니다.
SLAC 팀은 두 개의 레이저를 배치했습니다. 첫 번째는 광학 레이저로, 미세한 철 샘플을 발사하고 충격을 가하여 극도의 압력과 열을 생성합니다.
지구 외핵의 압력 범위는 135~330기가파스칼(130~330만 기압)이고 온도는 4,000~5,000K(3727~4727°C 또는 6,740~8,540°F)입니다. 압력과 온도는 최대 4070K입니다. .
그 다음으로 가장 어려웠던 부분은 이 과정에서 철의 원자 구조를 측정하는 것이었습니다. 이를 위해 연구팀은 X선이 없는 LCLS(Linac Coherent Light Source) 레이저를 사용하여 레이저 광을 발사하면서 샘플을 검사했습니다.
“우리는 10억분의 1초만에 측정할 수 있었습니다.” 글리슨이 말했다. “나노초 단위로 원자를 동결시키는 것은 정말 흥미로운 일입니다.”
시퀀스로 그룹화된 결과 이미지는 철이 쌍정을 통해 이러한 조건으로 인한 추가 스트레스에 반응하는 것으로 나타났습니다. 이것은 결정 격자가 너무 조밀해져서 일부 격자 포인트가 대칭 방식으로 여러 결정에 의해 공유될 때 발생합니다.
(S. 메르켈 / 프랑스 릴대학교)
외부 지구 코어 조건의 철의 경우 이는 육각형이 약 90도 회전하도록 원자 배열이 밀려 있음을 의미합니다. 이 메커니즘으로 인해 금속이 팁에 저항할 수 있다고 연구원들은 말했습니다.
“쌍둥이는 철이 훨씬 더 긴 시간 규모에 걸쳐 소성적으로 흐르기 시작하기 전에 우리가 처음 생각했던 것보다 훨씬 더 강할 수 있도록 합니다.” 글리슨이 말했다.
이제 이러한 조건에서 철이 어떻게 작용하는지 알았으므로 이 정보를 모델과 시뮬레이션에 통합할 수 있습니다. 이것은 예를 들어 우주 충돌을 이해하는 방식에 중요한 의미를 갖습니다. 지구의 핵은 행성 내에서 깔끔하게 떨어져 있지만 우리가 생각하기에 너무 금속성이어서 행성의 형성을 방해하는 노출된 맨손의 핵이라고 생각하는 소행성이 있습니다.
이러한 물체는 다른 물체와 충돌하여 그 안의 철 구조를 변형시킬 수 있습니다. 이제 우리는 이것이 어떻게 일어나는지 더 잘 알고 있습니다. 그리고 물론, 우리는 이제 우리 행성에 대해 더 많이 알고 있습니다.
“우리가 이러한 측정을 수행하는 방법을 개발했기 때문에 미래는 밝습니다.” 글리슨이 말했다.
“이제 우리는 변형 메커니즘의 몇 가지 정말 기본적인 물리적 모델에 대해 엄지손가락을 치켜들고 엄지손가락을 치켜들 수 있습니다. 이는 극한 조건에서 재료가 어떻게 반응하는지 모델링하는 데 부족한 예측력을 구축하는 데 도움이 됩니다.”
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