Hvad sker der i dybet af fjerne verdener?

Fysikken og kemien, der finder sted dybt inde i vores planet, er grundlæggende for eksistensen af ​​liv, som vi kender det. Men hvilke kræfter er på vej i det indre af fjerne verdener, og hvordan påvirker disse forhold deres potentiale for beboelighed?

Nyt arbejde ledet af Carnegies Earth and Planets Laboratory bruger laboratoriebaseret mimik til at afsløre en ny krystalstruktur, der har store implikationer for vores forståelse af det indre af store, stenede exoplaneter. Deres resultater er offentliggjort af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Den indre dynamik på vores planet er afgørende for at opretholde et overflademiljø, hvor liv kan trives - at drive geodynamoen, der skaber vores magnetfelt og forme sammensætningen af ​​vores atmosfære," forklarede Carnegies Rajkrishna Dutta, hovedforfatteren. "Forholdene fundet i dybet af store, stenede exoplaneter som superjorden ville være endnu mere ekstreme."

Silikatmineraler udgør det meste af jordens kappe og menes også at være en vigtig bestanddel af det indre af andre klippeplaneter, baseret på beregninger af deres tætheder. På Jorden definerer de strukturelle ændringer induceret i silikater under høje tryk og temperaturforhold nøglegrænser i Jordens dybe indre, som mellem den øvre og nedre kappe.

Forskerholdet – som omfattede Carnegies Sally June Tracy, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo og Jing Yang, samt Pamela Burnley fra University of Nevada Las Vegas, Dean Smith og Yue Meng fra Argonne National Laboratory, Stella Chariton og Vitali Prakapenka fra University of Chicago og Thomas Duffy fra Princeton University – var interesserede i at undersøge fremkomsten og adfærden af ​​nye former for silikat under forhold, der efterligner dem, der findes i fjerne verdener.

"I årtier har Carnegie-forskere været førende i at genskabe betingelserne for planetariske interiører ved at sætte små prøver af materiale under enorme tryk og høje temperaturer," sagde Duffy.

Men der er begrænsninger for videnskabsmænds evne til at genskabe betingelserne for exoplanetariske interiører i laboratoriet. Teoretisk modellering har indikeret, at nye faser af silikat dukker op under det tryk, der forventes at blive fundet i kapperne på stenede exoplaneter, der er mindst fire gange mere massive end Jorden. Men denne overgang er endnu ikke blevet observeret.

Men germanium er en god stand-in for silicium. De to grundstoffer danner lignende krystallinske strukturer, men germanium inducerer overgange mellem kemiske faser ved lavere temperaturer og tryk, som er mere håndterbare at skabe i laboratorieforsøg.

Arbejder med magnesiumgermanat, Mg₂ GeO₄ , analogt med et af kappens mest udbredte silikatmineraler, var holdet i stand til at indsamle information om den potentielle mineralogi af superjord og andre store, stenede exoplaneter.

Under omkring 2 millioner gange normalt atmosfærisk tryk opstod en ny fase med en distinkt krystallinsk struktur, der involverer et germanium bundet med otte oxygener.

"Det mest interessante for mig er, at magnesium og germanium, to meget forskellige grundstoffer, erstatter hinanden i strukturen," sagde Cohen.

Under omgivende forhold er de fleste silikater og germanater organiseret i det, der kaldes en tetraedrisk struktur, et centralt silicium eller germanium bundet med fire andre atomer. Men under ekstreme forhold kan dette ændre sig.

"Opdagelsen af, at silikater under ekstremt pres kunne antage en struktur orienteret omkring seks bindinger i stedet for fire, var en total game-changer med hensyn til videnskabsmænds forståelse af dyb jorddynamik," forklarede Tracy. "Opdagelsen af ​​en ottedobbelt orientering kan have tilsvarende revolutionerende implikationer for, hvordan vi tænker om dynamikken i exoplanetinteriør."