Ученые из Sandia National Laboratories, работающие с Z-machine, экспериментальной установкой и одним из крупнейших в мире источников вспышек рентгеновского излучения, помогли распутать давнюю тайну астрофизики: почему железо обнаруживается рассыпанным по всей мантии Земли, толстому слою между ядром Земли и ее корой.

На первый взгляд, кажется более разумным, что железо, прибывающее в процессе столкновений Земли с планетезималями — от нескольких метров до сотен километров в диаметре — во время последних стадий формирования Земли, должно было пулей уходить в ядро Земли, где и так находится довольно много железа.

Во-вторых, остается загадкой, почему Луна пропорционально имеет намного меньше железа в мантии, чем Земля. Поскольку Луна претерпела такую же внеземную бомбардировку, что и ее крупный сосед, что могло бы объяснить относительное отсутствие этого элемента в мантии Луны?

Чтобы ответить на эти вопросы, ученые под руководством профессора Штейна Якобсена из Гарвардского университета и профессора Сары Стюарт из Калифорнийского университета в Дэвисе поставили под вопрос принятое теоретическое значение точки испарения железа при высоком давлении. Если испарение происходит при более низких давлениях, чем предполагалось, серьезный кусок железа после столкновения мог испариться в виде железного пара, который одеялом накрыл Землю, а не пройти через нее. В результате на Землю проливался бы железный дождь, который и создал бы карманы этого элемента, в настоящее время обнаруживаемые в мантии.

Что касается Луны, то могло произойти то же самое растворение железа в пар, но слабая гравитация спутника просто была не в состоянии захватить большую часть свободно плавающих атомов железа, чем и объясняется недостаток железных месторождений на Луне.

По большей части ради экспериментальных, нежели теоретических изысканий ученые обратились к Z-machine и ее Программе фундаментальной науки, координируемой менеджером Sandia Томасом Мэттсоном. Это привело к сотрудничеству между Sandia, Гарвардом, Калтехом и Ливерморской национальной лабораторией, в ходе которого должно было быть определено экспериментальное значение порога испарения железа, которое заменило бы теоретическое значение, используемое на протяжении десятилетий.

Рик Краус из Ливерморской национальной лаборатории и Рэй Лемке и Сет Рут из Sandia использовали Z-машину для ускорения металлов до экстремальных скоростей, используя мощные магнитные поля. Ученые создали цель, которая состояла из железной 5-миллиметровой пластины толщиной в 200 микрон, и запускали в нее летающие алюминиевые тарелки со скоростью 25 километров в секунду. При таком ударном давлении мощная ударная волна, которая возникала в железе, заставляла его сжиматься, нагреваться и в конечном счете испаряться.

Результаты, опубликованные ранее в этом месяце в Nature Geosciences, показали, что ударное давление, экспериментально необходимое для испарения железа, приблизительно составляет 507 гигапаскаль, срезая предыдущую оценку более чем на 40% (887 гигапаскаль). Астрофизики говорят, что это меньшее давление легко достигается во время финальных стадий планетарного роста через аккрецию.

Главный исследователь Краус рассказал: «Поскольку планетологи всегда считали, что железо довольно трудно испарить, им не приходило в голову, что такое испарение может быть важным процессом в ходе формирования Земли и ее ядра. С нашими экспериментами стало очевидно, что испарить железо в процессе удара довольно легко».

«Это меняет наше представление о формировании планет; вместо образования ядра путем опускания железа в растущее ядро Земли крупными каплями (технически называемыми диапирами), это железо испарялось, вытягивалось шлейфом над поверхностью Земли и проливалось маленькими каплями. Эти капельки железа легко смешивались с мантией; наша интерпретация геохимических данных, которые мы используем на сегодняшний день относительно формирования ядра Земли, изменилась».