De nouvelles recherches axées sur la structure quantique des éléments dans des situations extrêmes ont des implications pour la compréhension de l’évolution de la Terre, l’interprétation de signaux sismiques inhabituels et même l’étude des exoplanètes pour mieux comprendre leur habitabilité.
Au moreover profond des planètes rocheuses comme la Terre, le comportement du fer peut grandement affecter les propriétés des matériaux rocheux en fusion : propriétés qui ont influencé la development et l’évolution de la Terre.
En fait, l’évolution de notre planète entière pourrait être déterminée par l’état quantique microscopique de ces atomes de fer. Une caractéristique particulière du fer est son « état de spin », qui est une propriété quantique des électrons de chaque atome de fer qui détermine leur comportement magnétique et leur réactivité dans les réactions chimiques. Les changements dans l’état de spin peuvent influencer si le fer préfère être dans la roche en fusion ou sous forme solide et dans quelle mesure la roche en fusion conduit l’électricité.
Jusqu’à présent, il était difficile de recréer les situations extrêmes dans ces roches en fusion, appelées fontes de silicates, afin de mesurer l’état de spin du fer. Grâce à des lasers puissants et à des rayons X ultrarapides, une équipe internationale de chercheurs du Laboratoire nationwide des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie, de l’Université de Stanford, de l’Université Grenoble Alpes, du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) et de l’Arizona Condition College a surmonté ce défi.. Ils ont montré qu’à des pressions et des températures extrêmement élevées, le fer contenu dans les silicates fondait principalement dans un état de spin faible, ce qui signifie que ses électrons restaient as well as proches du centre et s’appariaient dans leurs niveaux d’énergie, rendant le fer moins magnétique et in addition steady.
Les résultats, publiés vendredi dans Science Advancements, soutiennent l’idée selon laquelle certains types de roches en fusion pourraient être stables au furthermore profond de la Terre et d’autres planètes rocheuses, contribuant ainsi potentiellement à la création de champs magnétiques. La recherche a des implications potentielles pour la compréhension de l’évolution de la Terre, l’interprétation des signaux sismiques et même l’étude des exoplanètes.
« En termes d’exploration de l’histoire de la Terre, nous étudions des processus qui ont eu lieu il y a in addition de 4 milliards d’années », a déclaré Dan Shim, chercheur à l’Arizona Condition. « La seule façon d’étudier cela est d’utiliser la technologie moderne qui fonctionne en femtosecondes. Le contraste entre ces immenses échelles de temps est à la fois éloquent et surprenant : cela s’apparente à l’idée d’une machine à voyager dans le temps. »
Bombardement d’astéroïdes et océans magmatiques
Il y a environ 4,3 à 4,5 milliards d’années, la Terre primitive a subi d’intenses impacts, se faisant frapper par des astéroïdes aussi gros que des villes. Ces impacts ont produit tellement de chaleur qu’ils auraient pu faire fondre complètement les couches externes de la planète, créant ainsi un océan profond de roches en fusion.
« Il a été théorisé que sous l’immense pression de ces impacts, la roche en fusion pourrait être devenue furthermore dense que la roche solide », a déclaré Arianna Gleason, collaboratrice et scientifique du SLAC. « Ce magma additionally dense aurait coulé vers le noyau, capturant les signatures chimiques de cette époque. Certains pensent que des restes de cette couche de magma pourraient encore exister aujourd’hui, détenant des indices datant d’il y a 4,5 milliards d’années. Des volcans comme ceux d’Hawaï pourraient libérer ces anciennes substances chimiques. signatures, nous donnant un aperçu du passé lointain de la Terre. »
À faible profondeur, la roche en fusion prend in addition de spot que le même matériau lorsqu’il est solide. Mais à mesure que l’on approfondit et que la pression augmente, cette différence diminue. L’inclusion du fer, notamment son état de spin, joue un rôle crucial dans la détermination de ces propriétés. Des recherches antérieures ont montré des résultats mitigés sur l’état de spin du fer dans des conditions similaires : certaines études ont révélé un changement rapide de l’état de spin du fer sous des pressions élevées, tandis que d’autres ont constaté un changement moreover lent et in addition progressif.
Cette nouvelle étude fournit le premier aperçu direct du comportement du fer dans de véritables roches en fusion dans des situations extrêmes.
« Bien que nous puissions apprendre beaucoup de choses en étudiant les roches et les fossiles, certains facets de l’histoire ancienne de la Terre sont perdus car or truck il existe peu de documents datant de cette époque », a déclaré Shim. « C’est ce qui rend cette étude special. La formation de la Terre a été un processus tumultueux, impliquant des impacts intenses et aboutissant à une couche de roches en fusion à l’échelle mondiale. La pression dans cette couche était enormous. Nous étudions cela en simulant les conditions grâce à des expériences en laboratoire. »
Dans la hutte expérimentale Subject in Severe Situations (MEC) de la supply de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, l’équipe a pu recréer les pressions extrêmes qui auraient été trouvées dans l’océan magmatique de la Terre primitive en faisant exploser des échantillons avec de puissants lasers qui transforment le solide. matériau en un silicate fondu en quelques nanosecondes. Ensuite, les scientifiques ont utilisé des impulsions de rayons X femtosecondes du LCLS pour étudier la composition électronique d’éléments comme le fer dans ces situations extrêmes, fournissant ainsi un aperçu de la façon dont les configurations électroniques changent dans différentes circumstances et révélant que le magma fondu est effectivement devenu moreover dense qu’un solide sous situations spécifiques.
« En comprenant la dynamique interne de la Terre, nous pouvons affiner les modèles de mouvement tectonique et d’autres phénomènes géologiques », a déclaré Gleason. « De as well as, comme les couches de la Terre sont interconnectées, ces découvertes ont des implications pour la science du climat. »
Comprendre notre planète
Dans cette recherche, l’équipe s’est concentrée sur les fontes à faible teneur en fer. Mais à mesure que la matière tombe vers le centre de la Terre, elle absorbe davantage de fer, la rendant ainsi additionally dense. Pour assurer le suivi, l’équipe prévoit d’étudier des fontes à as well as forte teneur en fer. Ils espèrent également expérimenter des fontes contenant de l’eau, améliorant ainsi notre compréhension du cycle de l’eau et du climat de la Terre.
La recherche pourrait également faire la lumière sur des vitesses sismiques particulières au moreover profond du manteau terrestre. Ces anomalies intriguent les scientifiques depuis des décennies. Certaines théories suggèrent que ces zones pourraient être des restes de magma datant d’il y a 4,5 milliards d’années, tandis que d’autres pensent qu’elles résultent de plaques tectoniques qui se sont enfoncées à l’intérieur de la Terre, répandant des matériaux à bas point de fusion. En comparant différentes hypothèses grâce à l’imagerie sismique, l’équipe vise à déterminer l’origine de ces zones et à distinguer les matériaux anciens des matériaux as well as récents.
« À mesure que la technologie progresse, nous sommes à l’avant-garde pour relever de grands défis allant de la minéralogie à la science du climat, en reliant divers domaines de recherche », a déclaré Roberto Alonso-Mori, scientifique et collaborateur du SLAC. « Le volume considérable d’informations que nous pouvons recueillir a transformé nos capacités. Cela transform la donne. C’est exaltant de développer de nouvelles methods et de les appliquer à des issues urgentes avec une équipe aussi diversifiée. »
