Under overfladen af ​​vores galakser vandverdener

Ud over vores solsystem, kun synlig som den mindste prik i rummet med selv de kraftigste teleskoper, andre verdener eksisterer. Mange af disse verdener, astronomer har opdaget, kan være meget større end Jorden og fuldstændig dækket af vand - dybest set oceanplaneter uden fremspringende landmasser. Hvilken slags liv kunne udvikle sig på sådan en verden? Kunne et levested som dette overhovedet understøtte livet?

Et team af forskere ledet af Arizona State University (ASU) har for nylig sat sig for at undersøge disse spørgsmål. Og da de ikke kunne rejse til fjerne exoplaneter for at tage prøver, de besluttede at genskabe forholdene i disse vandverdener i laboratoriet. I dette tilfælde, dette laboratorium var den avancerede fotonkilde (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory.

Hvad de fandt - for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences - var en ny overgangsfase mellem silica og vand, hvilket indikerer, at grænsen mellem vand og sten på disse exoplaneter ikke er så solid, som den er her på Jorden. Denne afgørende opdagelse kan ændre den måde, astronomer og astrofysikere har modelleret disse exoplaneter på, og informere den måde, vi tænker på, hvordan livet udvikler sig på dem.

Dan Shim, lektor ved ASU, ledet denne nye forskning. Shim leder ASU's Lab for Earth and Planetary Materials og har længe været fascineret af den geologiske og økologiske sammensætning af disse fjerne verdener. Den sammensætning, han sagde, er intet som enhver planet i vores solsystem - disse planeter kan have mere end 50% vand eller is på toppen af ​​deres klippelag, og disse stenlag ville skulle eksistere ved meget høje temperaturer og under knusende tryk.

"Det er svært at bestemme exoplaneternes geologi, da vi ikke kan bruge teleskoper eller sende rovere til deres overflader, " sagde Shim. "Så vi prøver at simulere geologien i laboratoriet."

Hvordan gør man det? Først, du har brug for de rigtige værktøjer. Til dette eksperiment, Shim og hans team bragte deres prøver til to APS beamlines:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) ved beamline 13-ID-D, drives af University of Chicago, og High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) ved beamline 16-ID-B, drevet af Argonnes røntgenvidenskabsafdeling.

Prøverne blev komprimeret i diamantamboltceller, i det væsentlige to diamanter af ædelstenskvalitet med små flade spidser. Placer en prøve imellem dem, og du kan klemme diamanterne sammen, øge trykket.

"Vi kan hæve trykket til flere millioner atmosfærer, " sagde Yue Meng, en fysiker i Argonnes røntgenvidenskabsafdeling og en medforfatter på papiret. Meng var en af ​​hoveddesignerne af de teknikker, der blev brugt på HPCAT, som har specialiseret sig i højtryk, højtemperaturforsøg.

"APS er et af de få steder i verden, hvor man kan udføre denne form for banebrydende forskning, " sagde hun. "Strålelinjeforskerne, teknikere og ingeniører gør denne forskning mulig."

Exoplanets tryk, Shim sagde, kan beregnes, selvom de data, vi har på disse planeter, er begrænsede. Astronomer kan måle massen og tætheden, og hvis størrelsen og massen af ​​planeten er kendt, det rigtige tryk kan bestemmes.

Når prøven er sat under tryk, infrarøde lasere - som kan justeres til mindre end bredden af ​​en menneskelig blodcelle - bruges til at varme den op. "Vi kan bringe prøven op til tusindvis af grader Fahrenheit, " sagde Vitali Prakapenka, en beamline videnskabsmand ved GSECARS, en forskningsprofessor ved University of Chicago og en medforfatter på papiret. "Vi har to højeffektlasere, der skinner på prøven fra begge sider, præcist justeret med en ultralysstærk APS røntgensonde og temperaturmålinger langs de optiske veje med en nøjagtighed på under mikron."

Temperaturen på exoplaneter er sværere at måle, fordi der er så mange faktorer, der bestemmer det:mængden af ​​varme indeholdt i planeten, planetens alder, og mængden af ​​radioaktive isotoper, der henfalder inde i strukturen, afgiver mere varme. Shims team beregnede en række temperaturer at arbejde ud fra.

Når prøven er sat under tryk og opvarmet, APS' ultra-lyse røntgenstråler (som kan se gennem diamanterne og ind i selve prøven) kan tillade videnskabsmænd at tage øjebliksbilleder af atomare skala strukturændringer under de kemiske reaktioner, som de sker. I dette tilfælde, Shim og hans team nedsænkede en lille mængde silica i vand, øget tryk og temperatur, og overvågede, hvordan materialerne ville reagere.

Hvad de opdagede er, at ved høj temperatur og tryk på omkring 30 gigapascal (ca. 300, 000 gange det standard atmosfæriske tryk på Jorden), vandet og sten begynder at smelte sammen.

"Hvis du skulle bygge en planet med vand og sten, du ville antage, at vandet danner et lag over sten, " sagde han. "Det, vi fandt, er, at det ikke nødvendigvis er sandt. Med nok varme og tryk, grænsen mellem sten og vand bliver uklar."

Dette er en ny idé, der skal inkorporeres i modeller af exoplaneter, sagde Prakapenka.

"Hovedpointen er, at det fortæller folk, der modellerer strukturen af ​​disse planeter, at sammensætningen er mere kompliceret, end vi troede, " sagde Prakapenka. "Før vi troede, at der var en adskillelse mellem sten og vand, men baseret på disse undersøgelser, der er ingen skarp grænse."

Forskere har udført lignende eksperimenter før, Shim sagde, men disse var baseret på en jordlignende indstilling med mindre mængder vand. At observere denne nye faseovergang giver modelbyggere en bedre idé om den faktiske geologiske sammensætning af vandrige exoplaneter, og også indsigt i, hvilken slags liv der kunne kalde disse exoplaneter hjem.

"Det er et udgangspunkt for at bygge den måde, kemi fungerer på på disse planeter, " sagde Shim. "Hvordan vand interagerer med sten er vigtigt for livet på Jorden, og derfor, det er også vigtigt at forstå den type liv, der kan være i nogle af disse verdener."

Shim erkender, at denne forskning ikke er det første, man kan forestille sig, når man tænker på en lyskilde som APS. Men det er netop den mangfoldighed, som han sagde, er en fordel ved store brugerfaciliteter.

"Folk tænker næsten ikke på astrofysik, når de taler om et røntgenanlæg, " sagde han. "Men vi kan bruge en facilitet som APS til at forstå en genstand, der er for fjern til, at vi kan se."