Głęboko w sercu obcych światów kryształy tworzą się pod ciśnieniem do 40 milionów razy bardziej intensywnym niż ciśnienie atmosferyczne na Ziemi i nawet 10 razy większym niż ciśnienie w jądrze naszej planety. Ich lepsze zrozumienie może pomóc nam w poszukiwaniu życia gdzie indziej w naszej galaktyce.
W tej chwili naukowcy prawie nic nie wiedzą o tych tajemniczych kryształach. Nie wiedzą, jak i kiedy się tworzą, jak wyglądają i jak się zachowują. Ale odpowiedzi na te pytania mogą mieć ogromne implikacje dla powierzchni tych światów - niezależnie od tego, czy są one pokryte płynącą magmą lub lodem, czy bombardowane promieniowaniem ze strony gwiazd. Odpowiedź z kolei może wpłynąć na możliwość życia na tych planetach.
Wnętrza tych egzoplanet są dla nas tajemnicze, ponieważ w naszym Układzie Słonecznym planety są albo małe i skaliste, jak Ziemia i Mars, lub duże i gazowe, jak Saturn i Jowisz. Ale w ostatnich latach astronomowie odkryli, że tak zwane „super-Ziemie” - gigantyczne planety skaliste - i „mini-Neptuny” - mniejsze planety gazowe niż istnieją w naszym Układzie Słonecznym - są bardziej powszechne w pozostałej części naszej galaktyki.
Ponieważ planety te można postrzegać jedynie jako słabe migotanie w świetle pochodzącym od gwiazd macierzystych, wiele z nich pozostaje tajemniczych. Czy są superbohaterami czy superwidami? Z czego wykonane są ich powierzchnie? Czy mają pola magnetyczne? Okazuje się, że odpowiedzi na te pytania w dużej mierze zależą od tego, jak zachowują się kamień i żelazo w rdzeniach ultradźwiękowych.
Granice współczesnej nauki
W tej chwili nasze rozumienie egzoplanet opiera się głównie na skalowaniu w górę lub w dół tego, co wiemy o planetach w naszym Układzie Słonecznym, powiedziała Diana Valencia, planetolog z University of Toronto w Kanadzie, która zwołała podczas marcowego spotkania amerykańskiego Towarzystwo Fizyczne (APS) dla fizyków mineralnych w celu eksploracji tych egzotycznych materiałów egzoplanetarnych.
Problem z podejściem polegającym na zwiększeniu skali polega na tym, że nie można tak naprawdę zrozumieć, jak żelazo będzie się zachowywać przy 10-krotnym nacisku jądra Ziemi, po prostu przez pomnożenie, powiedziała. Przy tych ogromnych ciśnieniach właściwości chemikaliów zasadniczo się zmieniają.
„Spodziewalibyśmy się, że znajdziemy kryształy w super-Ziemiach, które nie istnieją na Ziemi ani nigdzie indziej w naturze” - powiedział Lars Stixrude, teoretyczny fizyk minerał z University of California w Los Angeles, który zrobił podstawowa praca teoretyczna do obliczenia właściwości tych ekstremalnych materiałów. „Byłyby to unikalne układy atomów, które istnieją tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem”.
Te różne układy się zdarzają, powiedział Live Science, ponieważ ogromne naciski zasadniczo zmieniają sposób, w jaki łączą się atomy. Na powierzchni Ziemi, a nawet w głębi naszej planety, atomy łączą się, używając jedynie elektronów w swoich powłokach zewnętrznych. Ale przy ciśnieniach nad ziemią elektrony angażują się bliżej jądra atomowego i całkowicie zmieniają kształty i właściwości materiałów.
A te właściwości chemiczne mogą wpływać na zachowanie całych planet. Na przykład naukowcy wiedzą, że super-Ziemie zatrzymują dużo ciepła. Ale nie wiedzą, ile - a odpowiedź na to pytanie ma poważne implikacje dla wulkanów tych planet i tektoniki płyt. Przy wewnętrznych ciśnieniach Ziemi lżejsze pierwiastki mieszają się z żelaznym rdzeniem, wpływając na pole magnetyczne planety - ale może się to nie zdarzyć przy wyższych ciśnieniach. Nawet fizyczny rozmiar super-Ziemi zależy od struktury krystalicznej związków w ich rdzeniach.
Walencja powiedziała jednak, że bez planet tego rodzaju, które mogłyby badać z bliska w naszym Układzie Słonecznym, naukowcy muszą przejść do podstawowych obliczeń fizycznych i eksperymentów, aby odpowiedzieć na tego rodzaju pytania. Ale te obliczenia często ujawniają otwarte odpowiedzi, powiedział Stixrude. Co do eksperymentów?
„Te ciśnienia i temperatury przekraczają możliwości większości technologii i eksperymentów, które mamy obecnie” - powiedział.
Budowanie super-Ziemi na zwykłej Ziemi
Na Ziemi najbardziej ekstremalne eksperymenty ciśnieniowe polegają na kruszeniu małych próbek między zaostrzonymi punktami dwóch przemysłowych diamentów.
Ale te diamenty mają tendencję do rozbijania się na długo przed osiągnięciem presji nad ziemią, powiedział Stixrude. Aby obejść ograniczenia związane z diamentami, fizycy przechodzą na eksperymenty z kompresją dynamiczną, takie jak fizyk minerałów Tom Duffy i jego zespół z Uniwersytetu Princeton.
Eksperymenty te wytwarzają więcej ciśnień podobnych do Ziemi, ale tylko przez ułamki sekundy.
„Chodzi o to, że napromieniujesz próbkę laserem o bardzo dużej mocy, szybko podgrzewasz powierzchnię tej próbki i wysadzasz plazmę” - powiedział Live Science Duffy, który przewodniczył sesji APS, podczas której Walencja mówiła.
Kawałki próbki, nagle nagrzane, wystrzeliwują z powierzchni, tworząc falę ciśnienia, która przemieszcza się przez próbkę.
„To naprawdę przypomina efekt statku rakietowego” - powiedział Duffy.
Powiedział, że próbki są małe - prawie płaskie i mają powierzchnię około milimetra kwadratowego. A wszystko to trwa nanosekundy. Kiedy fala ciśnienia dociera do tylnej części próbki, całość się roztrzaska. Ale dzięki uważnym obserwacjom podczas tych krótkich pulsów, Duffy i jego koledzy odkryli gęstość, a nawet struktury chemiczne żelaza i innych cząsteczek pod wcześniej niespotykanymi ciśnieniami.
Walencja twierdzi, że wciąż jest wiele pytań bez odpowiedzi, ale stan wiedzy w tej dziedzinie szybko się zmienia. Na przykład pierwszy artykuł na temat budowy superziemi (opublikowany w Walencji w lutym 2007 r. W The Astrophysical Journal jako doktorant na Harvardzie) jest nieaktualny, ponieważ fizycy uzyskali nowe informacje na temat chemikaliów na naszej planecie.
Odpowiedzi na te pytania są ważne, powiedział Duffy, ponieważ mogą nam powiedzieć, czy odległe światy obce mają takie cechy, jak tektonika płyt, przepływająca magma i pola magnetyczne - a zatem czy mogą podtrzymywać życie.
