Laboratorní hrátky s tlakem a teplotou. Kredit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.

V hloubce asi 2 890 kilometrů pod našima nohama se nachází hranice vnějšího jádra planety. Je to masivní vrstva kapalné hmoty, tvořené především železem a niklem, jejíž tloušťka je asi 2 400 kilometrů. Ve svém nitru ukrývá vnitřní jádro, které je pevné a představuje střed planety.

Ve vnitřním jádru panují spíše astrofyzikální než pozemské podmínky. Tlak se tam pohybuje kolem 330 až 360 gigapascalů, čili 3,3 až 3,6 milionů atmosfér, zatímco teplota dosahuje až asi 5 700 K, což odpovídá povrchu Slunce. Že vlastně chodíme po Slunci, by asi tušil jen málokdo.

Sébastien Merkel. Kredit: Université de Lille.

Pokud jde o vnější jádro, tak tam jsou podmínky jen o něco méně pekelné. Hmotu drtí tlak 135 až 330 gigapascalů a teplota ji žhaví na 4 až 5 tisíc kelvinů. Právě takové podmínky nedávno v laboratoři napodobil tým, který vedl fyzik Sébastien Merkel z francouzské Université de Lille. Nedělali to pochopitelně jen tak pro zábavu. Snaží se o pochopení hlubin Země, které jsou pro nás vlastně exotičtější než cizí planety nebo hvězdy. V tomto konkrétním případě je rovněž zajímalo chování železa v uvedených podmínkách, především jeho strukturální deformace.

Železo za běžných podmínek krystalizuje v krychlové soustavě. Za extrémních tlaků vytváří krystaly v šesterečné (hexagonální) soustavě. Merkel a spol. zjišťovali, co se bude dít za ještě větších tlaků a za vysokých teplot, jako ve vnějším jádru. Badatelé si zašli do laboratoří SLAC National Accelerator Laboratory a tam pracovali se dvěma lasery. Optickým laserem pálili do mikroskopického vzorku železa, čímž vytvořili podmínky vnějšího jádra, konkrétně tlak 187 gigapascalů a teplotu 4 070 kelvinů.

Krystaly železa za extrémních podmínek. Vpravo dvojčatění. Kredit. S. Merkel/University of Lille, France.

Druhou a rozhodně náročnější částí bylo měřit atomární strukturu takto trápeného železa. Vědci k tomu použili rentgenový laser (Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray free-electron laser), s jehož pomocí mohli proměřit studovaný kousíček železa za miliardtinu sekundy. Z výsledných snímků zjistili, že krystaly železa reagují na ultraextrémní podmínky dvojčatěním (crystal twinning), tedy vznikem krystalů, které sdílejí část povrchu.

Výsledky výzkumu jsou velmi zajímavé pro geology, kteří modelují strukturu a chování hlubin Země i dalších vesmírných těles. Mají rovněž značný význam pro pochopení vesmírných srážek a dalších podobných jevů. Některé z modelů a hypotéz teď bude možné vyloučit. Pro nás ostatní je to exotický výlet do extrémních končin, které leží hluboko pod námi.

Literatura

Science Alert 12. 11. 2021.

Physical Review Letters 127: 205501.