地球のような岩石惑星の深部では、鉄の挙動が溶融物質の特性に大きな影響を与えます。極限環境における元素の量子特性を調査する新しい研究は、地球の歴史の理解、独特の地震活動の説明、生命を支える可能性についての洞察を得るために系外惑星を研究することに重要な意味を持ちます。
地球のような岩石惑星の深部では、鉄の挙動が溶融物質の特性、つまり惑星の形成と進化に影響を与える特性に大きな影響を与えます。科学者たちは、強力なレーザーと超高速 X 線を使用して、ケイ酸塩溶融物として知られるこれらの溶融材料の極限状態を再現し、鉄の特性を測定しました。出典: グレッグ・スチュワート/SLAC 国立加速器研究所
これらの特性は、地球の形成と進化において重要な役割を果たしました。私たちの惑星の進化は、主に鉄原子の微視的な量子状態によって引き起こされた可能性があります。鉄の「スピン状態」は、その磁気的挙動と化学反応性に影響を与える電子の量子特性です。スピン状態の変化は、鉄の溶融または固体の形状とその導電性に影響を与えます。
これまで、ケイ酸塩融液として知られるこれらの溶融材料の極限状態を再現して、鉄のスピン状態を測定することは課題でした。米国エネルギー省の SLAC 国立加速器研究所、スタンフォード大学、グルノーブル アルプ大学、高強度レーザー利用研究所 (LULI)、アリゾナ州立大学の国際研究者チームは、強力なレーザーと超高速 X 線を使用してこの課題を克服しました。彼らは、非常に高い圧力と温度では、ケイ酸塩溶融物中の鉄はほとんどが低スピン状態にあり、その電子が中心に近くなり、エネルギーレベルで対を成すことを意味し、鉄の磁性が低くなり、より安定になることを発見した。
Science Advances に掲載されたこの結果は、特定の種類の溶岩が地球や他の岩石惑星の深部で安定しており、磁場の生成に役割を果たしている可能性があるという考えを裏付けています。この研究は、地球の進化の理解、地震信号の解釈、さらには系外惑星の研究にも潜在的な影響を及ぼします。
共著者でアリゾナ州立大学の研究者ダン・シム氏は、「地球の歴史を探るという点で、私たちは40億年以上前に起こった過程を調べている」と述べた。 「地球の歴史を研究する唯一の方法は、フェムト秒単位で測定される現代技術を使用することです。これらの膨大な時間スケールのコントラストは雄弁であると同時に衝撃的です。それはタイムマシンの概念に似ています。」
小惑星の衝突とマグマの海
約43億年から45億年前、初期の地球は強い衝突を経験し、都市ほどの大きさの小惑星が衝突しました。これらの衝突は非常に多くの熱を発生させたので、地球の外層を完全に溶かし、深い溶岩の海を作り出した可能性があります。
「これらの衝突による強い圧力の下では、溶岩は固体の岩石よりも密度が高くなる可能性があるという理論があります」と、共著者であるSLACの科学者アリアナ・グリーソンは述べた。この密度の高いマグマは地球の核に向かって沈み、その時代の化学的痕跡を捉えます。このマグマ層の残骸が現在も存在し、45億年前の手がかりが残っている可能性があると考える人もいます。ハワイのような場所の火山は、これらの古代の化学的痕跡を放出し、私たちに地球の遠い過去を垣間見せてくれるかもしれません。 」
浅いレベルでは、溶岩は固体状態の同じ物質よりも多くのスペースを占めます。しかし、深さと圧力が増加すると、この差は減少します。鉄の組成、特にスピン状態は、これらの特性を決定する上で重要な役割を果たします。これまでの研究では、同様の条件下で鉄のスピン状態についてさまざまな結果が示されており、高圧下で鉄のスピン状態が急速に変化することを発見した研究もあれば、よりゆっくりとした緩やかな変化が見出された研究もある。
新しい研究は、極限条件下で本物の溶岩中で鉄がどのように挙動するかを直接観察した初めての研究である。
「岩石や化石の研究からは多くの情報が得られますが、当時の記録がほとんどないため、地球の初期の歴史のいくつかの側面が失われています。それがこの研究をユニークなものにしているのです」とシム氏は述べた。 「地球の形成は、強い衝撃と全球規模の溶岩層の形成を伴う乱流のプロセスでした。溶岩層内の圧力は膨大でした。私たちは、当時の状況をシミュレートする室内実験を通じてこれを研究しました。」
SLAC のライナーコヒーレント光源 (LCLS) にある極限条件材料 (MEC) チャンバーで、チームはサンプルに強力なレーザーを照射し、ナノ秒で固体材料をケイ酸塩溶融物に変換し、地球の初期のマグマオーシャンで見られた極度の圧力を再現しました。次に科学者らは、LCLSからのフェムト秒X線パルスを使用して、これらの極端な条件下で鉄などの元素の電子構造を研究し、さまざまな条件下で電子配置がどのように変化するかについての洞察を得て、特定の条件下では実際に溶融マグマが固体よりも密度が高くなることが明らかになった。
「地球の内部力学を理解することで、地殻変動やその他の地質学的現象のモデルを改善できる」とグリーソン氏は語った。 「さらに、地球の層は相互につながっているため、これらの発見は気候科学に影響を及ぼします。」
私たちの地球について学ぶ
この研究では、チームは鉄含有量の低い溶融物に焦点を当てました。しかし、物質が地球の中心に向かって流れ込むと、理論的にはより多くの鉄を吸収し、密度が高くなります。研究を追跡調査するために、研究チームは鉄含有量がより高い溶融物を研究する予定だ。彼らはまた、地球の水循環と気候についてさらに学ぶために、水を含む融解物に関する実験を実施したいと考えています。
この研究により、地球のマントル深部の特別な地震速度が明らかになる可能性もあります。これらの異常現象は何十年も科学者を困惑させてきました。 Some theories suggest these areas may be remnants of magma from 4.5 billion years ago, while others believe they are the result of tectonic plates sinking into the Earth's interior, spreading low-melting-point materials. By comparing different hypotheses using seismic imaging techniques, the team aimed to determine the origin of these areas and distinguish between ancient and recent material.
"随着技术的进步，我们正站在解决从矿物学到气候科学等重大挑战的最前沿，将各个研究领域联系在一起，"SLAC科学家和合作者罗伯托-阿隆索-莫里（RobertoAlonso-Mori）说。"我们能够收集到的大量信息改变了我们的能力。它改变了游戏规则。与这样一个多元化的团队一起开发新技术并将其应用于解决紧迫的问题，是一件令人振奋的事情。"