地球の内部に関する私たちの知識は、地震時の地震波の研究、さまざまな種類の岩石の観察、実験室での実験、磁気および重力の証拠から得られます。しかし、何兆キロも離れた、太陽以外の星の周りを周回する系外惑星、つまり惑星の内部をどのように研究できるのでしょうか?
私たちの惑星の 2 倍の大きさの太陽系外惑星である約 1,000 個のスーパーアースが、さまざまな宇宙望遠鏡や地上望遠鏡の助けを借りてすでに発見されています。鉄は、スーパーアースの核の主成分であると考えられています。スーパーアースの内部構造を理解する上で鍵となる数値モデルは、本質的に高圧下での鉄の密度を与える鉄の状態方程式を利用しています。鉄の正確な超高圧状態方程式データの欠如が、この研究分野のボトルネックとなっています。
スーパーアースの中心の圧力は非常に高く、最大で地球の大気圧の約 1 億倍 (10 テラパスカル) に達します。そのような圧力は、まだどの実験室でも作り出すことができません。そのとき、量子力学の第一原理が助けになります。
最近 Icarus に掲載された論文で 、アムステルダム大学および自由大学の Kaustubh Hakim、ベルギー王立天文台の Attilio Rivoldini および Tim Van Hoolst、ゲント大学の Stefaan Cottenier および Jan Jaeken、バイロイト大学の Gerd Steinle-Neumann および Thomas Chust が密度汎関数を実装しました。大気圧の 13 億 7000 万倍 (137 テラパスカル) まで有効な鉄の新しい状態方程式を導き出す理論。
文献で入手可能な鉄の状態方程式は、地球内部の圧力に合わせて調整されています。鉄のこの新しい状態方程式を以前の方程式と比較すると、有効範囲を超えて以前の方程式を外挿すると、10 テラパスカルの圧力で鉄の密度が最大 20% 誤って予測されることがわかります。さらに、著者らは、そのような不正確さがスーパーアースの内部特性に関する誤った推定につながることを示しており、新たに計算された鉄の超高圧状態方程式を使用することの重要性を強化しています。
さらに、これらの著者は、この新しい鉄の状態方程式を実装して、スーパーアースの内部の数値モデルを計算しています。可能な組成の最大範囲を調べるために、コアは純鉄または純鉄の密度の 80% の鉄合金でできていると仮定し、マントルは純 MgSiO
コアの相対的なサイズに基づいて、スーパーアースは月のような (小さなコア)、地球のような (中程度のコア)、水星のような (大きなコア)、またはベアコアのスーパーアースに分類されます。下の図は、理論的な質量と半径の関係を示しており、スーパーアースをさまざまなカテゴリに分類することができます。たとえば、CoRoT-7b は、月に似ているだけでなく地球にも似ていると分類できます。これは、CoRoT-7b の相対的なコア サイズが、月と地球の間である可能性が最も高いことを意味します。薄いか存在しない.
これらの数値モデルが、質量と半径の関係のみからスーパーアースの種類を特定できないことは、天文学者にはよく知られており、縮退として知られています。この縮退を軽減する方法の 1 つは、ETH チューリッヒの Caroline Dorn と共著者が論文で示したように、系外惑星の数値モデルをホスト星の組成に関連付けることです。この方向でさらに多くの研究が行われており、スーパーアースの内部の探検家にとって未来は明るいものです.
これらの調査結果は、最近ジャーナル Icarus に掲載された、hcp-Fe の新しい ab initio 状態方程式と、岩石の多いスーパーアースの内部構造と質量半径関係に対するその影響というタイトルの記事で説明されています。 この作業は、アムステルダム大学および自由大学のカウストブ ハキム、ベルギー王立天文台のアッティリオ リヴォルディーニおよびティム ファン ホルスト、ゲント大学のステファン コッテニエおよびヤン イェーケン、バイロイト大学のトーマス クストおよびゲルト シュタインレ ノイマンによって実施されました。
