Hvilke magnetfelter kan fortælle os om liv på andre planeter

Alle skolebørn ved, at Jorden har et magnetfelt – det er det, der får kompasserne til at justere nord-syd og lader os navigere i havene. Det beskytter også atmosfæren, og dermed livet, fra solens kraftige vind.

Men hvad med andre jordlignende planeter i galaksen? Har de også magnetiske felter til at beskytte nye liv?

En ny analyse ser på én type exoplanet – superjorder op til fem gange så store som vores egen planet – og konkluderer, at de sandsynligvis har et magnetfelt, men en genereret på en helt ny måde:af planeternes magmahave.

Den overraskende opdagelse af, at langsomt kværnende smeltet sten ved eller under overfladen kan generere et stærkt magnetfelt, tyder også på, at i Jordens tidlige år, da det stort set var en klump af smeltet sten, den havde også et magma-genereret magnetfelt. Dette var ud over dets nuværende felt, som dannes i den ydre kerne af flydende jern.

"Dette er et nyt regime for generering af planetariske magnetfelter, " sagde Burkhard Militzer, en UC Berkeley professor i jord- og planetvidenskab. "Vores magnetfelt på Jorden genereres i den flydende ydre jernkerne. På Jupiter, det opstår ved konvektion af flydende metallisk brint. På Uranus og Neptun, det antages at være genereret i islagene. Nu har vi tilføjet smeltede sten til denne mangfoldige liste af feltgenererende materialer."

Forbindelsen mellem en planets indre og dens magnetfelt giver også astronomer mulighed for at lære om sammensætningen og alderen af ​​exoplaneter for langt væk til at besøge.

"Det her ligger langt ude i fremtiden, men hvis nogen foretager en observation af en exoplanet, og de finder et magnetfelt, det kan være en indikation på, at der er et magmahav, selvom de ikke kan se dette direkte, " sagde Militzer.

Konklusionerne har også betydning for chancerne for liv på andre planeter. Mens magmahavene afkøles fra toppen, en overflade, der er gæstfri til liv, kunne dukke op, mens den smeltede kappe fortsætter med at kværne.

"Et magnetfelt er nyttigt til at beskytte en planetarisk atmosfære mod at blive blæst væk af stjernevindene, " sagde tidligere UC Berkeley postdoc stipendiat François Soubiran, nu på École Normale Supérieure i Lyon, Frankrig. "De fleste af de superjorder, vi opdager nu, er meget tæt på deres værtsstjerner og udsat for meget stærke stjernevinde. muligheden for at et magnetfelt eksisterer er absolut en nøglekomponent i planetens udvikling og dens beboelighed."

Soubiran og Militzer offentliggjorde deres resultater 24. september i tidsskriftet Naturkommunikation .

Jordens indre dynamo

Jordens magnetfelt i dag genereres i den ydre kerne af smeltet jern, hvor stigende og synkende masser af elektrisk ledende flydende jern, kombineret med planetens spin, skabe en dynamo og et vedvarende magnetfelt.

Men den stenede jord blev smeltet efter dens første dannelse for 4,5 milliarder år siden, og nogle lag kan være forblevet smeltede og konvektive – som kogende vand, kun langsommere – i millioner af år efter dens fødsel. Kunne det langsomt konvektionerende magmahav have genereret et magnetfelt svarende til det, der genereres i jernkernen i dag?

Det samme spørgsmål opstod, efter at superjorden blev opdaget omkring andre stjerner. Superjord er så massiv, at deres indre, kappen, bør forblive flydende og konvekkende i et par milliarder år efter dannelsen.

I begge tilfælde den langsomt kogende magma på en roterende planet kan kun generere et stærkt magnetfelt, hvis den flydende sten leder elektricitet.

Ingen vidste, om dette var sandt.

Eksperimenter med silikater – et udtryk, der refererer til de tusindvis af siliciumbaserede mineraler, der udgør Jordens klippefyldte indre – ved de høje temperaturer og tryk inde i en superjord er vanskelige. Selv at fastslå, om en klippe forbliver fast eller bliver flydende, er ikke ligetil under de betingelser, der er typiske for planetariske indre:temperaturer på 10, 000 Celsius og tryk 10 millioner gange luften omkring os.

"Ved standard temperaturer og tryk, silikater er fuldstændigt isolerende; elektronerne er enten tæt bundet til kernerne, eller de er i molekylære bindinger og er ikke i stand til at bevæge sig frit og skabe makroskopiske elektriske strømme, " sagde Soubiran. "Selv hvis det høje indre tryk hjælper med at reducere barriererne for elektronernes bevægelse, det var ikke nødvendigvis indlysende, at silikater ville lede i superjorden."

Men Soubiran og Militzer havde adgang til atomare computermodeller af mineraler, der gjorde det muligt for dem at beregne ledningsevnen af, I dette tilfælde, kvarts (siliciumdioxid), magnesiumoxid (magnesiumoxid) og et silicium-magnesiumoxid (post-perovskit), som alle er almindelige i klipper på Jorden, månen og sandsynligvis alle vores solsystems planeter.

Efter at have udført lange beregninger for hver af de tre, de opdagede, at disse silikater bliver beskedent ledende, når de skifter fra fast til flydende ved høje temperaturer og tryk. Da de tilsluttede ledningsevnen til modeller af Jordens indre, de opdagede, at klipperne var tilstrækkeligt ledende til at opretholde en dynamo og dermed et magnetfelt.

"Vores beregninger viste, at væskens uorganiserede struktur hjalp elektronerne med at blive ledende, " sagde Soubiran. Flydende silikater ved 10, 000 Celsius og 10 millioner atmosfæres tryk har kun omkring en hundrededel af flydende jerns ledningsevne, for eksempel.

Soubiran bemærkede, at planeter, der roterer med en periode på to dage eller mere, ville generere et jordlignende magnetfelt:et dipolfelt med et klart nord og syd. Langsommere rotation, imidlertid, kunne skabe et mere uorganiseret felt, som ville være sværere at opdage langvejs fra.

Bruce Buffett, en UC Berkeley-ekspert i dynamikken i Jordens indre, som ikke var involveret i forskningen, sagde, at planeter kun kan generere magnetiske felter, hvis de har den rigtige balance mellem elektrisk ledningsevne og væskehastighed til at skabe den feedback, der er nødvendig for at opretholde et magnetfelt.

"Mange geofysikeres forventning var, at i det mindste under jordiske forhold, ledningsevnen af ​​flydende silikater ville falde mere ind under kategorien, godt, hvis du virkelig havde virkelig store væskebevægelser for at kompensere for en lav ledningsevne, du kan have et magnetfelt, " sagde Buffett, professor i jord- og planetvidenskab. "Dette er den første detaljerede beregning for højere temperatur- og trykforhold, og den finder ud af, at ledningsevnen ser ud til at være en lille smule højere, så de flydende bevægelser, du skal bruge for at få det hele til at fungere, er måske en lille smule mindre ekstreme."