科学者たちは巨大なレーザーを使って太陽系外惑星の超高温核をシミュレートした

木曜日にサイエンス誌に掲載された研究によると、より大きな岩石惑星の溶融核は、小惑星の溶融核よりも長く熱いままであるはずだ。これは恒星間探査者にとっては朗報だ。なぜなら、溶融核はおそらく惑星上で生命が発達するために必要だからだ。

太陽系外惑星のこの特徴を解明するには、巨大なレーザーと、前例のない圧力をかけた非常に薄い鉄の薄片を使った実験が必要だった。「私たちは非常に多くの惑星を発見していますが、人々が抱く大きな疑問の 1 つは、これらの惑星は居住可能な可能性があるのか​​ということです」と、この研究を率いたローレンス・リバモア国立研究所の物理学者リック・クラウス氏は言う。

この疑問に答えるために、研究者は通常、惑星の核について考えることから始めません。その代わりに、惑星が恒星から適切な距離にあるかどうか、または惑星に水があるかどうかを尋ねます。しかし、クラウス氏と彼のチームは、惑星が居住可能かどうかを判断する他の方法を見つけたいと考えました。

クラウス氏によると、彼らは惑星が磁気圏を形成する能力を研究し、それが居住可能性を探る窓口となったという。磁気圏とは、地球の周囲にある磁場のように太陽放射から惑星を守る磁場のことである。私たちが知っている生命は、地球の磁場がなければ存在できない。

磁場は、惑星の核が溶けることで発生します。地球の核は主に鉄で構成されており、固体の内核と液体の外核に分かれています。地球の磁場は、液体鉄の対流、つまり渦巻きによって発生します。つまり、温度が低く密度の高い液体の部分は下に沈み、温度の高い部分は溶岩ランプの蝋のように上昇します。

太陽系外惑星の核を研究室で研究するのは、そのような高圧力と高温度を再現する方法がほとんどないため難しい。これは地球の核を超える圧力で鉄の融点を計測する初の実験だとクラウス氏は言う。これらの極限状態を達成するため、研究チームは大型レーザー、具体的には大型レーザーが専門のローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設を必要とした。

実験では、レーザーが鉄の多層サンプルに照射された。クラウス氏によると、ベリリウム、金属元素、いくつかのフィルターの層が極薄鉄の「サンドイッチ」の外側を形成し、透明なフッ化リチウムがもう半分を構成している。外側のベリリウム層は「10億分の1秒未満」で数千度加熱され、サンドイッチのその側はプラズマに加熱された。その後プラズマが膨張し、サンプルに強力な衝撃波が送り込まれた。

[関連: 土星にはドロドロした核と揺れる環がある]

このプロセスは、惑星の溶融核を降りていくときに熱い鉄片が受けるであろう条件を模倣する。「ものすごい衝撃を与えるのです」と、地球や他の惑星の核をモデル化するカーネギー科学研究所の地球物理学者で、この研究には関わっていないピーター・ドリスコル氏は述べ、この研究は難しいプロセスだったと付け加えた。サンプルが破壊されるため、実験者はデータを一度に収集しなければならない。このプロセスで得られたのは「数個のデータポイント」だけだが、「この種の実験は非常に価値がある」と彼は言う。

サンプルが最高圧力に達すると、別の機器が重要な時点でその鉄が固体のままか液体のままかをテストし、研究者がこれらの高圧および高温での鉄の挙動に焦点を当てるのに役立ちました。

研究チームは「圧力が増すと、温度が急激に上昇する」ことを発見したとクラウス氏は言う。太陽系外惑星の場合、それは惑星が大きくなるにつれて、核が固まるのに時間がかかることを意味する。地球の質量の4倍から6倍のスーパーアースの場合、最も時間がかかるだろうとクラウス氏は言う。研究チームは、地球の核が固まるのに合計60億年かかると見積もっているが、地球と似た組成の大型太陽系外惑星の核は、それより最大30パーセント長くかかるはずだ。

「それはある意味直感的に聞こえるかもしれないが」、さまざまな要因を考慮すると当然のことではないとクラウス氏は言う。

ドリスコル氏は、極限状態で鉄がどれだけ溶けるかを測定することは、惑星の核が固まるかどうか、またどのように固まるかを知る上で非常に重要だと語る。地球の固体の内核と液体の外核の境界でさえ、科学者たちは正確な温度を知らない。ただし、太陽の表面温度に近い、およそ華氏10,000度だと推定されている。

これらの結果を太陽系外惑星に当てはめる際の問題点は、これらのスーパーアースの核には鉄以外の元素が含まれている可能性があり、それによって融点が未知の量で変化する可能性があるとドリスコル氏は言う。また、太陽系外惑星の冷却速度を予測することも難しい。なぜなら、核を取り囲む高温の岩石層であるマントルが、核がどれだけ速く冷却できるかに大きな役割を果たすからだ。そして、太陽系外惑星のマントルは「ほとんど何でできている可能性がある」と同氏は言う。

ドリスコル氏によると、金星はこうした乖離を示す代表的な例だという。理論的には金星の構成は地球と非常に似ているが、磁場とプレートテクトニクスが欠けている。

磁気圏が形成されるかどうかは、核の物質が熱や電気をどれだけよく通すかなど、他の要因によっても決まる。しかし、こうした特性は地球上でも測定が難しい。科学者が地球の核を通る熱の流れを測定することに成功したのは、ここ 10 年ほどのことだ。それでも、それが「次に目指すべきもの」だとドリスコル氏は言う。

訂正 2022 年 1 月 21 日: この記事には以前、この実験は地球の中心核を超える圧力で鉄を使用した初めての実験であると記載されていました。実際、この実験は、その圧力で鉄の融点を測定した初めての実験でした。