Significación
El hierro es el principal constituyente de los núcleos planetarios terrestres, adoptando una estructura hexagonal cerrada bajo las condiciones del núcleo interno de la Tierra, y una estructura cúbica centrada en la cara (fcc) a las presiones más moderadas de cuerpos más pequeños, como la Luna, Mercurio o Marte. Aquí presentamos mediciones de la velocidad del sonido y de la densidad del hierro fcc a las presiones y temperaturas características de los pequeños interiores planetarios. Los resultados indican que las velocidades sísmicas actualmente propuestas para el núcleo interno de la Luna están muy por debajo de las del hierro fcc o de las aleaciones de hierro plausibles. Nuestro conjunto de datos proporciona fuertes restricciones a los modelos sísmicos del núcleo lunar y de los núcleos de pequeños planetas telúricos, y nos permite construir un modelo directo de composición y velocidad del núcleo de la Luna.
Abstract
Las propiedades físicas del hierro (Fe) a alta presión y alta temperatura son cruciales para entender la composición química, la evolución y la dinámica de los interiores planetarios. De hecho, las estructuras interiores de los planetas telúricos comparten todas una naturaleza en capas similar: un núcleo metálico central compuesto mayoritariamente por hierro, rodeado por un manto de silicatos y una corteza delgada y químicamente diferenciada. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios sobre el hierro se han centrado en la fase hexagonal cerrada (hcp, o ε), ya que el ε-Fe es probablemente estable en las condiciones de presión y temperatura del núcleo terrestre. Sin embargo, a las presiones más moderadas características de los núcleos de cuerpos planetarios más pequeños, como la Luna, Mercurio o Marte, el hierro adopta una estructura cúbica centrada en la cara (fcc, o γ). Aquí presentamos mediciones de la velocidad del sonido de las ondas de compresión y de corte y de la densidad del γ-Fe a altas presiones y temperaturas, que son necesarias para desarrollar modelos sísmicos precisos de los interiores planetarios. Nuestros resultados indican que las velocidades sísmicas propuestas para el núcleo interno de la Luna por un reciente reanálisis de los datos sísmicos del Apolo están muy por debajo de las del γ-Fe. Por tanto, nuestro conjunto de datos proporciona fuertes restricciones a los modelos sísmicos del núcleo lunar y de los núcleos de los pequeños planetas telúricos. Esto nos permite proponer un modelo directo de composición y velocidad para el núcleo de la Luna.
- Hierro
- Alta presión
- Alta temperatura
- Luna
- Núcleos planetarios telúricos
Aunque los planetas y satélites telúricos tienen núcleos metálicos compuestos principalmente por hierro, las diferencias en las masas masivas implican diferentes condiciones de presión (P) y temperatura (T) en el centro de estos cuerpos. Esto, a su vez, se refleja en la naturaleza sólida o líquida del núcleo y en la estructura cristalina estable de la fase sólida. La fase hexagonal cerrada (hcp, o ε) es probablemente la fase estable del Fe en las condiciones de presión y temperatura del núcleo terrestre (1). A la moderada P-T característica de los núcleos de planetas relativamente pequeños, como Mercurio (P entre ∼8 GPa y ∼40 GPa, T entre ∼1.700 K y ∼2.200 K) (2) o Marte (P entre ∼24 GPa y ∼42 GPa, T entre ∼2.000 K y 2.600 K) (3, 4), o satélites, incluida la Luna (P∼5-6 GPa, T entre 1.300 K y 1.900 K) (5), la estructura estable del hierro esperada es la cúbica centrada en la cara (fcc, o γ) (6). Para esta fase, no existen amplias mediciones experimentales de las velocidades del sonido agregado en función de la presión y la temperatura. Los estudios se limitan a una única determinación de la velocidad de Debye a 6 GPa y 920 K (7) y a un experimento de dispersión inelástica de neutrones (INS) a presión ambiente y 1.428 K (8), aunque un conjunto completo y coherente de mediciones de las velocidades acústicas de las ondas de compresión y de corte (respectivamente, VP y VS) y de la densidad (ρ) a alta presión y alta temperatura son parámetros esenciales necesarios para desarrollar modelos sísmicos fiables de los núcleos planetarios.
La Luna es el único cuerpo telúrico, además de la Tierra, del que se dispone de múltiples observaciones sísmicas directas. Éstas fueron proporcionadas por el Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo (9) que, a pesar del número muy limitado de sismómetros y de la extensión selenográfica parcial, proporcionó una valiosa información sobre la estructura del interior de la Luna (10, 11). Sin embargo, las investigaciones sísmicas del interior lunar más profundo (>900 km de profundidad) siguen siendo un gran desafío. La estructura del núcleo lunar es controvertida, con un único estudio sísmico de las ondas S y P reflejadas y convertidas en el núcleo que detecta directamente la existencia de un núcleo interno sólido y un núcleo externo fluido (10). La existencia de un núcleo externo líquido parece también favorecida cuando se considera el momento de inercia polar, la respuesta elástica global al potencial de marea (números de Love) y las limitaciones sísmicas del manto (10⇓-12). En el análisis de los datos sísmicos propuesto en la ref. 10, el núcleo interno fue modelado como hierro puro, mientras que el núcleo líquido externo fue modelado para contener menos del 13 % en peso de azufre aleado al hierro (menos del 6 % en peso en todo el núcleo). Diversas observaciones indirectas también apuntan a la existencia de un núcleo metálico (5, 12), aunque los estudios difieren en muchos aspectos, como el radio del núcleo, la naturaleza sólida frente a la líquida o su composición. La determinación precisa de la estructura y la composición química del núcleo de la Luna es esencial para comprender la dinámica actual, así como para restringir los modelos de origen y evolución lunar, incluida la posible existencia de una dínamo lunar ya extinta (5, 13).
El vínculo entre las observaciones sísmicas y los modelos geofísicos puede ser proporcionado por experimentos que sondean la propagación de las ondas sonoras en los materiales candidatos en condiciones termodinámicas relevantes. Aquí llevamos a cabo mediciones de la densidad (ρ) y la velocidad del sonido (VP y VS) en hierro cúbico centrado en el cuerpo (bcc) y fcc a alta presión y temperatura simultáneas, utilizando la dispersión inelástica de rayos X (IXS) combinada con mediciones de difracción de rayos X (XRD).
IXS permite una clara identificación de las excitaciones de los agregados longitudinales en las muestras policristalinas, la derivación directa de VP, y la estimación de VS (Texto del SI, Mediciones de Difracción y Dispersión Inelástica de Rayos X) (Fig. 1). Esta técnica ha demostrado ser muy adecuada para las mediciones en muestras metálicas comprimidas en celda de yunque de diamante (14⇓-16), y se ha ampliado recientemente para las mediciones en condiciones simultáneas de alta P-T (17⇓⇓-20). Además, las mediciones combinadas de DRX permiten una determinación inequívoca de la fase y la derivación directa de la densidad de la muestra (Texto SI, Dispersión inelástica de rayos X y mediciones de difracción).