Muito abaixo da superfície da Terra, cerca de 1, 800 milhas de profundidade, encontra-se uma região magmática turbulenta imprensada entre o manto à base de silicato sólido e o núcleo rico em ferro fundido:O limite núcleo-manto. É um resquício de tempos antigos, os dias primordiais cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, quando todo o planeta foi fundido, um mar infinito de magma. Embora as pressões e temperaturas extremas da região dificultem o estudo, contém pistas sobre a misteriosa história da origem do mundo como o conhecemos.

"Ainda estamos tentando descobrir como a Terra realmente começou a se formar, como ele se transformou de um planeta derretido em um com criaturas vivas andando em seu manto de silicato e crosta, "diz Arianna Gleason, um cientista do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia. "Aprender sobre as formas estranhas como os materiais se comportam sob diferentes pressões pode nos dar algumas dicas."

Agora, os cientistas desenvolveram uma maneira de estudar os silicatos líquidos nas condições extremas encontradas na fronteira núcleo-manto. Isso pode levar a uma melhor compreensão dos primeiros dias de fusão da Terra, que pode até se estender a outros planetas rochosos. A pesquisa foi liderada pelos cientistas Guillaume Morard e Alessandra Ravasio. O time, que incluiu Gleason e outros pesquisadores do SLAC e da Universidade de Stanford, publicaram suas descobertas esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Existem características de líquidos e vidros, em particular o silicato derrete, que não entendemos, "diz Morard, um cientista da Universidade de Grenoble e da Universidade Sorbonne, na França. "O problema é que os materiais fundidos são intrinsecamente mais desafiadores de estudar. Por meio de nossos experimentos, fomos capazes de sondar materiais geofísicos em temperaturas e pressões extremamente altas da Terra profunda para lidar com sua estrutura líquida e aprender como eles se comportam. No futuro, iremos ser capaz de usar esses tipos de experimentos para recriar os primeiros momentos da Terra e compreender os processos que os moldaram. "

Mais quente que o sol

No Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, laser de elétrons livres de raios-X, os pesquisadores primeiro enviaram uma onda de choque através de uma amostra de silicato com um laser óptico cuidadosamente ajustado. Isso permitiu que eles atingissem pressões que imitam as do manto da Terra, 10 vezes maior do que o alcançado anteriormente com silicatos líquidos, e temperaturas de até 6, 000 Kelvin, ligeiramente mais quente do que a superfície do sol.

Próximo, os pesquisadores atingiram a amostra com pulsos de laser ultrarrápidos de raios-X do LCLS no momento preciso em que a onda de choque atingiu a pressão e a temperatura desejadas. Alguns dos raios X então se espalharam em um detector e formaram um padrão de difração. Assim como cada pessoa tem seu próprio conjunto de impressões digitais, a estrutura atômica dos materiais costuma ser única. Os padrões de difração revelam aquela impressão digital material, permitindo aos pesquisadores acompanhar como os átomos da amostra se reorganizaram em resposta ao aumento da pressão e da temperatura durante a onda de choque. Eles compararam seus resultados aos de experimentos anteriores e simulações moleculares para revelar uma linha do tempo evolutiva comum de vidros e silicatos líquidos em alta pressão.

"É emocionante ser capaz de reunir todas essas técnicas diferentes e obter resultados semelhantes, "diz o cientista e co-autor do SLAC Hae Ja Lee." Isso nos permite encontrar uma estrutura combinada que faz sentido e dar um passo em frente. É muito abrangente em comparação com outros estudos. "

Conectando o atomístico ao planetário

No futuro, a atualização LCLS-II, bem como atualizações para o instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) onde esta pesquisa foi realizada, permitirá aos cientistas recriar as condições extremas encontradas no núcleo interno e externo para aprender sobre como o ferro se comporta e o papel que desempenha na geração e formação do campo magnético da Terra.

Para acompanhar este estudo, os pesquisadores planejam realizar experimentos com energias mais altas de raios-X para fazer medições mais precisas do arranjo atômico dos silicatos líquidos. Eles também esperam atingir temperaturas e pressões mais altas para obter uma visão sobre como esses processos se desenvolvem em planetas maiores que a Terra, as chamadas super-Terras ou exoplanetas, e como o tamanho e a localização de um planeta influenciam sua composição.

"Essa pesquisa nos permite conectar o atomístico ao planetário, "Gleason diz." A partir deste mês, mais de 4, 000 exoplanetas foram descobertos, cerca de 55 deles estão posicionados na zona habitável de suas estrelas, onde é possível a existência de água líquida. Alguns deles evoluíram a ponto de acreditarmos que existe um núcleo metálico que pode gerar campos magnéticos, que protegem os planetas dos ventos estelares e da radiação cósmica. Há tantas peças que precisam se encaixar para que a vida se forme e seja sustentada. Fazer as medições importantes para entender melhor a construção desses planetas é crucial nesta era de descobertas. "