Mint a vaj, nem mint az acél: Szuperionos állapotban „táncol” a Föld magja
Kutatóknak első alkalommal sikerült kísérletileg bizonyítaniuk, hogy a Föld belső magjában egy különleges, részben szilárd, részben folyékony „szuperionos” állapot uralkodik. Egy nagysebességű gázágyúval végzett kísérlet választ adhat arra, miért viselkedik bolygónk középpontja inkább lágy vajként, mintsem szilárd acélként.
A Föld belső szerkezetéről alkotott képünk az 1930-as évek óta egy folyékony külső magról és egy olyan szilárd belső magról szólt, amelyet a hatalmas nyomás tart egyben az intenzív hőség ellenére. Azonban a szeizmikus mérések évtizedek óta ellentmondásos adatokat mutattak: a hullámok lassabban haladtak át a magon, mint azt egy merev vastömbtől várnánk.
A szuperionos fázis: A rácsba zárt tánc
A Szicsuan Egyetem fizikusa, Youjun Zhang és csapata elméletileg már korábban is sejtette, hogy a megoldás az úgynevezett szuperionos állapotban rejlik. Ebben a fázisban az anyag egyszerre mutatja a szilárd testek és a folyadékok jellemzőit.
„Első alkalommal mutattuk meg kísérletileg, hogy a vas-szén ötvözet a belső mag körülményei között rendkívül alacsony nyírási sebességet mutat” – magyarázta Zhang. „Ebben az állapotban a szénatomok rendkívül mozgékonnyá válnak, és úgy diffundálnak a kristályos vasvázban, mint a táncoló gyerekek, miközben maga a vas szilárd és rendezett marad. Ez a fázis drasztikusan csökkenti az ötvözet merevségét.”
A kutatók szemléletes hasonlata szerint a vasrács mozdulatlan marad, mint Batman, míg a könnyebb szénatomok úgy cikáznak a rések között, mint egy pajkos Robin.
Extrém kísérlet: Gázágyúval a Föld mélyére
Mivel a Föld magjába lehetetlen lefúrni, a kutatók a laboratóriumban szimulálták a körülményeket. Egy kétlépcsős könnyűgáz-ágyú segítségével vas-szén ötvözetből készült lövedékeket lőttek ki másodpercenkénti 7 kilométernél is nagyobb sebességgel.
A becsapódás pillanatában fellépő lökéshullám 140 gigapaszkál nyomást és 2600 Kelvin (kb. 2327 °C) körüli hőmérsékletet generált. Bár ez elmarad a belső mag valódi szélsőségeitől (330-360 gigapaszkál és 5000-6000 Kelvin), arra elegendő volt, hogy előidézze az anyag különleges állapotát.
A szimulált körülmények ugyan csak a másodperc milliomod részéig tartottak, de a lézeres szenzoroknak ennyi idő is elég volt ahhoz, hogy rögzítsék: az anyag rugalmassága és a hanghullámok terjedési sebessége pontosan megegyezik a szeizmikus állomások által a Föld mélyéből mért adatokkal.
Miért fontos ez nekünk?
A felfedezés nemcsak egy évszázados geológiai rejtélyt old meg, hanem segít megérteni a Föld mágneses mezőjének működését is. A bolygónkat védő mágneses pajzs ugyanis éppen ezekből a mélyben zajló áramlásokból és folyamatokból nyeri energiáját.
„Eltávolodunk a belső mag statikus, merev modelljétől egy dinamikus modell irányába” – tette hozzá Zhang. „Az anyag e rejtett állapotának megismerése egy lépéssel közelebb visz minket a Föld-szerű bolygók belső titkainak feltárásához.”
