Команда ученых из Китая и России под руководством Артема Оганова (МФТИ) с помощью компьютерного моделирования проверила устойчивость соединений магния, кремния и кислорода (основных элементов мантии Земли и других планет с твердой поверхностью). Обнаружилось, что при сверхвысоких давлениях стабилен целый ряд новых оксидов, силицидов и силикатов. Эти соединения не могут существовать на Земле — расчетные значения превышают давление в центре нашей планеты примерно в пять раз, но могут присутствовать в недрах других твердых планет. Подходящие кандидаты должны быть в несколько раз тяжелее — так называемые «супер-» или «мега-» Земли. Работа опубликована в журнале «Nature».
История USPEH-а, или рыба ищет, где глубже
USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) – метод компьютерного моделирования, который сам Оганов называет эволюционным. Работу метода можно проиллюстрировать следующей метафорой. Предположим, нам надо найти самый глубокий омут в озере (наиболее устойчивую структуру с минимальной энергией). Выпускаем в озеро рыб, они расплываются, занимая ямки на дне. Вылавливая рыб в точках с самыми низкими положениями (неустойчивыми структурами), мы заставим и изначальных особей, и их потомков, унаследовавших боязнь мелкой воды, обитать в более глубокой части озера, и в конце концов, кто-то найдет минимум. С помощью метода уже предсказан ряд структур, например, пост-перовскит, минерал состава MgSiO3, образующийся при высоких давлениях и температуре. Его характеристики позволяют объяснить анизотропность свойств слоя D'', расположенного на границе нижней мантии и внешнего ядра Земли. Но что случится, если давление увеличится-
Все выше, выше и выше
В статье исследовалась устойчивость соединений Mg, Si и O — самых распространенных компонентов мантии Земли в диапазоне давлений от 0.5 до 3 терапаскалей (ТПа).
Мегабар — это один миллион атмосфер, чтобы создать это давление, вам нужно поймать 200 слонов и приложить их суммарный вес на площадь каблука-шпильки женской туфельки, — привел сравнение в своем интервью для журнала «Вокруг Света» Артем Оганов.Один терапаскаль равен десяти мегабарам. Таких давлений нет даже в центре земного ядра — маловата планетка. Но тут на помощь приходят астрономы: не так давно были обнаружена супер-Земля Глиз 832с, в пять раз тяжелее нашей планеты, и планета Kepler-10c, превосходящая Землю в 17 раз. Ранее считалось, что планета таких солидных размеров не может обладать твердой поверхностью, а должна быть газовым гигантом, подобно Юпитеру и Сатурну. Kepler-10c отнесли к новому классу планет — мега-Земля (твердые планеты, превышающие Землю по массе в десять и более раз).
Индивидуальный подход
Перед тем, как перейти к соединениям, были рассмотрены кристаллические структуры Mg, Si и O. Как и предполагалось в предыдущих работах, магний демонстрирует несколько фазовых переходов. При повышении давления от 0,5 до 0,76 ТПа тип его кристаллической решетки меняется с гранецентричной кубической (fcc) на примитивную гексагональную (sh). Интересно, что при повышении давления до 1,07 ТПа происходит переход к примитивной кубической решетке (sc). Кремний во всем диапазоне давлений непреклонно демонстрировал гранецентричную кубическую решетку. Кислород при давлении выше 1,9 ТПа переходит от гексагональной к орторомбической решетке.
Некоторые типы кристаллических решеток: гранецентричная кубическая (fcc), примитивная гексагональная (sh), примитивная кубическая (sc)
Новая химия
Исследование эволюционных структур в Mg-Si-O системе под давлениями порядка экзопланетных, обнаружило ряд неожиданных соединений. Так, помимо хорошо известного всем SiO2, диоксида кремния, основного компонента песка, была установлена стабильность SiO3 и SiO при давлении выше 0,51 ТПа и 1,89 ТПа, соответственно.
Кристаллическая структура SiO3, при давлении более 1ТПа соединение меняет структуру с тетраэдрической объемноцентрированной на моноклинную примитивную
Тетраэдрическая примитивная структура SiO, при давлении более 1,5 ТПа с нанесенной электронной плотностью
Помимо обнаруженных в предыдущих работах MgO2 и Mg3O2, была найдена еще одна разновидность оксида магния, за формулу которой школьная учительница химии не колеблясь поставит двойку – MgO3, который становится термодинамически стабильным при 0,89 ТПа. Несмотря на то, что, состав известных минералов, состоящих из магния, кремния и кислорода подчиняется формуле (MgO)x·(SiO2)y, оказалось, что по схеме (MgO3)x·(SIO3)y тоже могут образовываться устойчивые соединения. MgSi3O12 и MgSiO6 стабильны при давлениях выше 2,41 ТПа и 2,95 ТПа, соответственно. Удивительно, но MgSi3O12 по прогнозам, будет обладать металлическими свойствами, в то время как все другие оксиды, обсуждаемые в этой работе, являются полупроводниками или изоляторами.
Внеземная геология
Кроме того, был изучен процесс диссоциации пост-перовскита. Выяснилось, что распад MgSiO3 может идти по схеме (1), если температура относительно низка (<6,4 кК) и по схеме (2) при высокой (> 6,6 кК) температуре:
pPV - MgSiO3→Mg2SiO4 + MgSi2O5→ SiO2 + Mg2SiO4→MgO + SiO2, (1)
pPV - MgSiO3→Mg2SiO4 + MgSi2O5→ MgO + MgSi2O5→MgO + SiO2, (2)
Зная пути диссоциации pPV-MgSiO3, можно гораздо глубже понять минералогию и внутреннюю структуру планетарных мантий. Так, пост-перовскит может находиться в супер-Землях с массами, не больше 6 M⊕ (M⊕ – масса Земли). Mg2SiO4 и MgSi2O5 можно найти в мантии супер-Земель с массами выше 6 M⊕. В Кеплере-10с, который в 17 раз тяжелее, чем Земли, скорее всего, остаются только MgO и SiO2 около границы между ядром и мантией.
На планетах, имеющих в составе много кислорода, можно ожидать найти MgO3 и SiO3. Обнаруженные соединения MgO3, SiO3, MgSiO6, MgSi3O12 ранее не входили в состав двоичной системы MgO-SiO2. Учитывая их термодинамически и динамически устойчивые решетки, эти новые соединения, очевидно, должны быть включены в будущие модели экзопланетной минералогии для того, чтобы лучше понять ту роль, которую они играют в эволюции структуры массивных планет. Так, в самой нижней части мантии мега-Земель с массами выше 20 M⊕ может существовать металлический слой, сформированный из высокоокисленного MgSi3O12. Для планет, богатых кислородом, соединения MgO3, SiO3, MgSi3O12 и, возможно, MgSiO6 могут быть важными планетоформирующими минералами. Они могут также появиться в газовых гигантах, в результате реакции между силикатами магния твердого ядра и водой из богатой жидкостью мантии. В будущем планируется рассмотрение других важные элементы (например, железа, алюминия), для которых, скорее всего, также выявятся нетипичные соединения, устойчивые при высоком давлении. Это заставит капитально пересмотреть существующие модели внутренней структуры экзопланет. Фазовые переходы и реакции, прогнозируемые здесь, будут иметь огромное влияние не только на внутреннюю структуру, но также и на динамические процессы в планетах. Реакции, идущие с выделением тепла, ускоряют процесс перемешивания слоев мантии, а с поглощением — замедляют или даже останавливают. Наличие металлического слоя может повлиять на магнитное поле планеты.
Глизе 832с находится от нас на расстоянии 16 световых лет, остальные мега- и супер- Земли еще дальше, так что достичь их поверхности мы сможем нескоро. Но предположения о составе их недр можем сделать уже сегодня. Могли бы знаменитые фантасты Стругацкие представить, что космический геолог не бороздит просторы вселенной на звездолете, а сидит в уютном кресле за клавиатурой-
