В тысячах километров под поверхностью Земли находится ядро нашей планеты, существующее в условиях сокрушительного давления и высокой температуры. Внутреннее ядро, твердый шар из железа и никеля, вращается внутри оболочки так называемого внешнего ядра, состоящего из того же железа и никеля, но находящегося в жидком расплавленном состоянии. И недавно, экстремальные условия этого внешнего ядра были воссозданы в лабораторных условиях таким образом, что ученым удалось напрямую увидеть структурные деформации железа. Обладание этими знаниями не только позволит углубить понимание нашей собственной планеты, это также поможет нам лучше понять то, что происходит в космосе при столкновениях космических тел, также зачастую состоящих из железа.

Отметим, что материал внешнего ядра находится под давлением от 135 до 330 ГПа (1.3 до 3.3 миллионов атмосфер) при температуре от 4000 до 5000 Кельвинов. В нормальных условиях железо имеет кубическую кристаллическую решетку с атомами в каждой вершине куба и одним атомом в центре. Когда железо повергается воздействию высокого давления и температуры, форма кристаллической решетки меняется и превращается в шестигранную. В таком случае в один и тот же объем пространства «упаковывается» большее количество атомов.

Для того, чтобы воспроизвести описанные выше экстремальные условия, ученые из Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC использовали два лазера. Первым был оптический лазер, свет которого был сфокусирован на крошечной частице железа, за счет воздействия света этого лазера на очень короткое время возникало большое давление и температура. По полученным результатам на железный образец воздействовало давление в 187 ГПа при температуре 4070 Кельвинов, что вписывается в диапазон условий внешнего земного ядра.

Следующим шагом было измерение строения кристаллической структуры железа, что было сделано при помощи лазера на свободных электронах SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS). «Мы смогли произвести измерения за одну миллиардную долю секунды» — пишут исследователи, — «За эту наносекунду атомы железа не успели сдвинуться и мы получили четкую картинку».

Полученные снимки показали, что при экстремальных условиях происходит нечто удивительное. Материал уплотняется настолько, что некоторые точки и плоскости кристаллической решетки становятся общими для нескольких кристаллов, которые выравниваются симметричным образом. При этом, шестиугольные кристаллы, расположенные под углом 90 градусов друг к другу, могут вращаться вокруг своей оси под воздействием внешних условий.

«Теперь, когда мы знаем, как железо ведет себя в таких экстремальных условиях, мы можем включить эти данные в наши текущие теории и модели» — пишут исследователи, — «В космосе летает множество железных астероидов, при столкновениях которых железо претерпевает структурные изменения. И теперь мы можем прогнозировать с большей точностью последствия таких столкновений, некоторые из которых могут нести угрозу для Земли и для всего живого на поверхности нашей планеты».