В недрах Земли обнаружено загадочное состояние материи

Выпуская крошечные снаряды из железоуглеродистого сплава из высокоскоростной пушки, ученые наконец продемонстрировали, что странное частично твердое, частично жидкое состояние, которое, как считалось, существует внутри ядра Земли, действительно возможно. Результаты нового исследования опубликованы в журнале National Science Review.

Это суперионное состояние материи прекрасно объясняет некоторые необычные явления в ядре, такие как замедление определенных волн, а также результаты измерений, свидетельствующие о том, что оно мягкое, как масло, а не твердое, как холодная сталь.

«Впервые мы экспериментально показали, что железоуглеродистый сплав в условиях внутреннего ядра демонстрирует удивительно низкую скорость сдвига», — говорит физик Юцзюнь Чжан из Сычуаньского университета в Китае. «В этом состоянии атомы углерода становятся очень подвижными, диффундируя через кристаллический каркас железа подобно детям, танцующим квадратные танцы, в то время как само железо остается твердым и упорядоченным. Эта так называемая «суперионная фаза» значительно снижает жесткость сплава».

Начиная с 1930-х годов, преобладающее представление о внутреннем строении Земли основывалось на модели жидкого, расплавленного внешнего ядра и внутреннего ядра, настолько сжатого давлением, что оно остается твердым, несмотря на интенсивное тепловое воздействие. Однако некоторые данные сейсмических исследований, полученные за десятилетия, указывают на то, что мы видим не полную картину.

Наше понимание внутренней структуры Земли основано на сейсмических наблюдениях. То, как акустические волны распространяются и отражаются от материалов с различными свойствами, позволило нам получить довольно подробное представление о внутренней архитектуре нашей планеты. Но низкая скорость сдвиговых волн, особенно в ядре, говорит о том, что если оно и твердое, то не в том виде, к которому мы привыкли.

В 2022 году группа исследователей под руководством геофизика Ю Хэ из Китайской академии наук теоретически продемонстрировала, что суперионность может разрешить эту загадку. В то время как огромное давление всего веса Земли во внутреннем ядре удерживает железо в твердой матрице, экстремальная температура позволяет более легким атомам течь и двигаться подобно жидкости – суперионное состояние, которое одновременно является твердым и жидким.

Экспериментальные данные только что подтвердили эту возможность. Чжан, Хэ и их коллеги использовали метод динамического ударного сжатия, чтобы сжать небольшой кусочек железоуглеродистого сплава настолько сильно, что он вел себя точно так же, как и тот же сплав должен вести себя во внутреннем ядре Земли.

Для ускорения своих образцов они использовали двухступенчатые газовые пушки — высокоточные устройства, использующие бездымный порох и сжатый газ для разгона мельчайших частиц до экстремальных скоростей.

В этом эксперименте железоуглеродистый снаряд запускали со скоростью более 7 километров в секунду по сильно сжимаемой мишени из фторида лития. Удар генерирует обратную ударную волну, которая сжимает образец до давления до 140 гигапаскалей и температуры около 2600 Кельвинов (2327 °C).

Это не так экстремально, как во внутреннем ядре, где давление колеблется от 330 до 360 гигапаскалей, а температура достигает 5000–6000 Кельвинов, но этого достаточно, чтобы воспроизвести ключевые аспекты внутренней среды.

Эти смоделированные условия длятся всего от наносекунд до микросекунд, но этого достаточно, чтобы исследовать температуру, плотность и распространение акустических волн с помощью лазеров и быстродействующих датчиков.

И, как и ожидалось, результаты совпали с низкой скоростью сдвиговых волн и измерением степени сжатия — расширения и сжатия, — известной как коэффициент Пуассона, наблюдаемой при сейсмических исследованиях внутреннего ядра Земли.

Исследователи показали, что в этих условиях железная матрица остается прочно зафиксированной на месте, подобно Бэтмену, в то время как углерод перемещается между зазорами, как резвящийся Робин.

Это так элегантно. Это объясняет, почему сейсмические данные выглядят именно так, и — с помощью экспериментальных данных, которые максимально приближены к пониманию самого внутреннего ядра — разрешает давние споры о том, как ведут себя легкие элементы под экстремальным давлением.

Это может даже дать новые представления о магнитном поле Земли — огромной структуре, образовавшейся в результате взаимодействия проводимости и конвекции глубоко внутри планеты.

«Мы отходим от статической, жесткой модели внутреннего ядра к динамической», — говорит Чжан. «Понимание этого скрытого состояния материи приближает нас на один шаг к разгадке тайн недр планет, подобных Земле».