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在地球表面以下1800英裡深的地方，有一個攪動的巖漿區，夾在固體矽酸鹽地幔和富鐵熔巖核心之間：核心-地幔邊界。它是遠古時代的遺蹟，大約45億年前的原始時代，當時整個地球都處於熔融狀態，是一個無盡的巖漿海洋。儘管該地區的極端壓力和溫度使研究變得困難，但它包含了我們所知的世界神秘起源故事的線索。
美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家阿里安娜·格裡森說：「我們仍在努力拼湊地球究竟是如何開始形成的，它是如何從一個熔融的星球轉變為一個有生物在其矽酸鹽地幔和地殼上行走的星球。了解材料在不同壓力下的奇怪行為可以給我們一些提示。」
現在，科學家們已經開發出一種方法來研究在地核-地幔邊界發現的極端條件下的液態矽酸鹽。這將有助於更好地了解地球早期的熔融時期，甚至可以延伸到其他巖石行星。這項研究由科學家紀堯姆·莫拉德和亞歷山德拉·拉瓦西奧領導，本周在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的發現。
科學家莫拉德說：「液體和玻璃的一些特徵，特別是矽酸鹽熔體，我們並不了解。問題是熔融材料在本質上更難研究。通過我們的實驗，我們能夠探測地球物理物質在地球深部極高的溫度和壓力下，處理它們的液體結構，並了解它們的行為。在未來，我們將能夠利用這些類型的實驗再現地球的最初時刻，並了解塑造地球的過程。」
比太陽還熱
在SLAC的Linac相干光源X射線自由電子雷射器上，研究人員首先用一個仔細調諧的光學雷射器通過矽酸鹽樣品發出衝擊波。這使得它們能夠達到模擬地球地幔的壓力，比以前液態矽酸鹽的壓力高出10倍，溫度高達6000開爾文，略高於太陽表面。
接下來，研究人員在衝擊波達到所需壓力和溫度的精確時刻，用來自LCLS的超快X射線雷射脈衝擊中樣品。一些X射線隨後散射到探測器中，形成衍射圖樣。就像每個人都有自己的指紋一樣，材料的原子結構往往是獨一無二的。衍射圖揭示了材料的指紋，使研究人員能夠跟蹤樣品的原子是如何在衝擊波期間隨著壓力和溫度的增加而重新排列的。他們將他們的結果與之前的實驗和分子模擬結果進行了比較，揭示了玻璃和液態矽酸鹽在高壓下的共同演化時間線。
把原子論與行星連接起來
在未來，行這項研究的極端條件物質儀器的升級，將使科學家能夠重現在內核和內核中發現的極端條件，以了解鐵的行為及其在產生和形成地球磁場中的作用。
為了跟進這項研究，研究人員計劃在更高的X射線能量下進行實驗，以對液態矽酸鹽的原子排列進行更精確的測量。他們還希望達到更高的溫度和壓力，以洞察這些過程是如何在比地球大的行星上展開的，以及行星的大小和位置如何影響其組成。
科學家說：「這項研究使我們能夠將原子論與行星聯繫起來。」截至本月，已發現4000多顆系外行星，其中約55顆位於恆星的可居住區，那裡可能存在液態水。其中一些已經進化到我們相信有一個金屬核可以產生磁場，從而保護行星不受恆星風和宇宙輻射的影響。