Bilim insanları, demir-karbon alaşımından küçük mermileri yüksek hızda ateşleyerek Dünya'nın iç çekirdeğinde var olduğu düşünülen, hem katı hem de sıvı benzeri özellikler taşıyan tuhaf bir madde durumunun gerçekliğini deneysel olarak ortaya koydu.
Bu süperiyonik madde hali, çekirdekteki bazı sıra dışı davranışları, örneğin bazı dalgaların yavaşlamasına neden olan etkileri ve soğuk çelik gibi sert değil de tereyağı gibi yumuşak olduğunu düşündüren ölçümleri açıklayabilecek nitelikte.
Sichuan Üniversitesi'nden fizikçi Youjun Zhang, "İlk kez, iç çekirdek koşulları altında demir-karbon alaşımının kayda değer derecede düşük kayma hızına sahip olduğunu deneysel olarak gösterdik" dedi.
Zhang, "Bu durumda, karbon atomları son derece hareketli hale geliyor ve kristal demir yapısı içinde bir dans eden çocuklar gibi yayılırken, demirin kendisi katı ve düzenli kalıyor. Bu sözde 'süperiyonik faz', alaşımın sertliğini önemli ölçüde azaltıyor" diye ekledi.
Dünya'nın iç yapısına ilişkin anlayışımız, 1930'lardan bu yana sıvı, erimiş bir dış çekirdek ve inanılmaz bir basınç altında olmasına rağmen katı kalan bir iç çekirdek modeli üzerine kurulu. Ancak, onyıllar boyunca elde edilen sismik verilerden gelen bazı kanıtlar, bu resmin tam olmadığını düşündürüyor.
Dünyamızın iç yapısı hakkındaki bilgimiz sismik gözlemlere dayanıyor. Akustik dalgaların farklı özelliklere sahip malzemeler içinden nasıl hareket ettiği ve bu malzemelerden nasıl sektiği, gezegenimizin iç mimarisi hakkında oldukça ayrıntılı bir anlayış sunuyor. Ancak çekirdek içindeki kayma dalgalarının düşük hızı, eğer katıysa bile bildiğimiz katı türlerinden farklı olduğunu gösteriyor.
2022'de, Çin Bilimler Akademisi'nden jeofizikçi Yu He liderliğindeki bir ekip, süperiyonikliğin bu gizemi çözebileceğini teorik olarak göstermişti. İç çekirdekteki tüm Dünya ağırlığının oluşturduğu muazzam basınç, demirin katı bir matriste kalmasını sağlarken, aşırı sıcaklık daha hafif atomların bir sıvı gibi akmasına ve dans etmesine olanak tanıyor; bu da hem katı hem de sıvı özelliklerini barındıran süperiyonik bir durum yaratıyor.
Bilim insanları şimdi bu olasılığı deneysel verilerle doğruladı. Zhang, He ve meslektaşları, dinamik şok sıkıştırma adı verilen bir teknik kullanarak, küçük bir demir-karbon alaşımı parçasını, Dünya'nın iç çekirdeğindeki aynı alaşımın davranması gereken şekilde davranacak kadar sert bir şekilde sıkıştırdılar.
Numuneleri hızlandırmak için, dumansız barut ve sıkıştırılmış gaz kullanarak küçük parçacıkları aşırı hızlarda fırlatan yüksek hassasiyetli cihazlar olan iki aşamalı hafif gaz topları kullandılar.
Bu deneyde, demir-karbon mermisi, son derece sıkıştırılabilir lityum florür bir hedefe saniyede 7 kilometreden (4.3 mil) fazla hızla ateşlendi. Çarpışma, numuneyi 140 gigapaskala kadar basınca ve yaklaşık 2.600 Kelvin (2.327 °C veya 4.220 °F) sıcaklığa sıkıştıran bir ters şok oluşturdu.
Bu koşullar, 330 ila 360 gigapaskal basınç aralığına ve 5.000 ila 6.000 Kelvin'e ulaşan sıcaklıklara sahip iç çekirdek kadar aşırı olmasa da, çekirdek ortamının temel yönlerini yeniden yaratmak için yeterince yüksekti.
Simüle edilen bu koşullar sadece nanosaniyelerden mikrosaniyeler kadar sürdü, ancak bu süre, lazerler ve hızlı sensörler kullanarak sıcaklık, yoğunluk ve akustik dalga yayılımını incelemek için yeterliydi.
Ve sonuçlar, Dünya'nın iç çekirdeğinin sismik okumalarında gözlemlenen düşük kayma dalga hızını ve Poisson oranına denilen sıkışma ve genleşme ölçümünü doğruladı.
Araştırmacılar, bu koşullar altında, demir matrisinin hareketsiz kaldığını, karbonun ise aradaki boşluklarda hareket ettiğini gösterdi.
Bu durum, sismik verilerin neden bu şekilde göründüğünü açıklıyor ve deneysel verilerle, iç çekirdeğin kendisine ulaşabileceğimiz en yakın haliyle, ışık elementlerinin aşırı basınçlar altında nasıl davrandığına dair uzun süredir devam eden tartışmaları çözüme kavuşturuyor.
Bu bulgular, gezegenin derinliklerindeki iletim ve konveksiyonun dansından uzaya yayılan geniş bir yapı olan Dünya'nın manyetik alanı hakkında bile yeni bilgiler sunabilir.
Zhang, "İç çekirdeğin statik, sert bir modelinden dinamik bir modele doğru ilerliyoruz" dedi. "Bu gizli madde durumunu anlamak, Dünya benzeri gezegenlerin iç yapıları hakkındaki sırları çözmeye bir adım daha yaklaşmamızı sağlıyor." Bu araştırma, National Science Review dergisinde yayımlandı.
