Авторы статьи – группа исследователей МФТИ во главе с Артемом Огановым, профессором Сколковского института науки и технологий и руководителем лаборатории компьютерного дизайна МФТИ. В предыдущем исследовании Оганов и его коллеги использовали созданный Огановым алгоритм под названием USPEX для идентификации новых соединений натрия и хлора, а также других экзотических веществ.
В своей последней статье исследователи попытались выяснить, какие соединения могут образовываться кремнием, кислородом и магнием при высоких давлениях. Эти элементы были выбраны не случайно.
"Планеты земного типа состоят из тонкой силикатной коры, силикатно-оксидной мантии, которая составляет примерно 7/8 объема Земли и состоит более чем на 90% из силикатов и оксида магния, и железного ядра.
Можно сказать, что магний, кислород и кремний составляют основу химии на Земле и на планетах земного типа », – говорит Оганов.
Используя алгоритм USPEX, исследователи исследовали различные структурные составы Mg-Si-O, которые могут возникать при давлениях от 5 до 30 миллионов атмосфер. Такое давление может существовать внутри суперземли – планет с твердой поверхностью с массой в несколько раз больше массы Земли.
В Солнечной системе нет таких планет, но астрономам известны планеты, вращающиеся вокруг других звезд, которые не такие тяжелые, как газовые гиганты, но значительно тяжелее Земли. Их называют суперземлями. Эти планеты включают недавно обнаруженную Gliese 832c, которая в пять раз тяжелее Земли, или мегаземлю Kepler-10c, которая в 17 раз тяжелее Земли.
Результаты компьютерного моделирования показывают, что недра этих планет могут содержать «экзотические» соединения MgSi3O12 и MgSiO6. У них намного больше атомов кислорода, чем у MgSiO3 на Земле.
Кроме того, MgSi3O12 представляет собой оксид металла и проводник, тогда как другие вещества, состоящие из атомов Mg-Si-O, являются диэлектриками или полупроводниками. «Их свойства сильно отличаются от обычных соединений магния, кислорода и кремния – многие из них являются металлами или полупроводниками.
Это важно для создания магнитных полей на этих планетах. Поскольку магнитные поля создают электрические токи внутри планеты, высокая проводимость может означать значительно более мощное магнитное поле », – объясняет Оганов.
Более мощное магнитное поле означает более мощную защиту от космического излучения и, следовательно, более благоприятные условия для живых организмов. Исследователи также предсказали новые оксиды магния и кремния, которые не вписываются в правила классической химии – SiO, SiO3 и MgO3, в дополнение к оксидам MgO2 и Mg3O2, ранее предсказанным Огановым при более низких давлениях.
Компьютерная модель также позволила исследователям определить реакции разложения, которые MgSiO3 претерпевает при сверхвысоких давлениях на суперземлях – постперовските.
"Это влияет на границы слоев мантии и их динамику. Например, экзотермический фазовый переход ускоряет конвекцию мантии и теплопередачу внутри планеты, а эндотермический фазовый переход замедляет их. Это означает, что скорость движения литосферных плит на планете может быть выше », – говорит Оганов.
Конвекция, которая определяет тектонику плит и перемешивание мантии, может быть либо более быстрой (ускоряя перемешивание мантии и теплопередачи), либо медленнее. Он отметил, что при эндотермических изменениях возможным сценарием может быть распад планеты на несколько независимо конвектирующих слоев.
Тот факт, что континенты Земли находятся в постоянном движении, «плавают» на поверхности мантии, дает вулканизм и дышащую атмосферу.
Если континентальный дрейф прекратится, это может иметь катастрофические последствия для климата.