Co dzieje się w głębinach odległych światów?

Fizyka i chemia, które mają miejsce głęboko na naszej planecie, mają fundamentalne znaczenie dla istnienia życia, jakie znamy. Ale jakie siły działają we wnętrzu odległych światów i jak te warunki wpływają na ich możliwość zamieszkania?

Nowe prace prowadzone przez Carnegie Earth and Planetary Laboratory wykorzystują laboratoryjne metody symulacyjne, aby odkryć nową strukturę kryształu, która ma poważne implikacje dla naszego zrozumienia wnętrz dużych, skalistych egzoplanet. Ich odkrycia zostały wcześniej opublikowane Materiały Narodowej Akademii Nauk.

Rajkrishna Dutta, główny autor z Carnegie University, wyjaśnił: „Wewnętrzna dynamika naszej planety jest niezbędna do utrzymania środowiska na powierzchni, w którym może się rozwijać życie — napędzając geodynamo, które wytwarza nasze pole magnetyczne i kształtuje skład naszej atmosfery”. „Warunki znalezione w głębinach dużych, skalistych egzoplanet, takich jak planety super-ziemskie, byłyby jeszcze bardziej ekstremalne”.

Minerały krzemianowe stanowią większość warstw Ziemi i uważa się, że są również głównym składnikiem wnętrz innych planet skalistych, na podstawie obliczeń ich gęstości. Na Ziemi zachodzą zmiany strukturalne w krzemianach poniżej wysokie ciśnienie Warunki temperaturowe określają główne granice głęboko we wnętrzu Ziemi, takie jak te między górnym a dolnym płaszczem.

Zespół badawczy – w skład którego weszli Sally John Tracy z Carnegie, Ron Cohen, Francesca Mussi, Kai Lu i Jing Yang, a także Pamela Burnley z University of Nevada Las Vegas, Dean Smith i Yu Ming z Argonne National Laboratory oraz Stella Chariton oraz Can Vitaly Brakabenka z University of Chicago Thomas Duffy z Princeton University jest zainteresowany badaniem powstawania i zachowania nowych form krzemianów w warunkach naśladujących te na odległych światach.

„Od dziesięcioleci naukowcy z Carnegie są pionierami w odtwarzaniu warunków wewnętrznych planet, umieszczając małe próbki materiału pod ogromnym ciśnieniem i w wysokich temperaturach” – powiedział Duffy.

Istnieją jednak ograniczenia w zdolności naukowców do odtworzenia warunków wewnętrznych egzoplanet w laboratorium. Modelowanie teoretyczne wskazało na pojawienie się nowych faz krzemianu pod ciśnieniem oczekiwanym w płaszczach skalistych egzoplanet o masie co najmniej cztery razy większej od Ziemi. Ale ta zmiana nie została jeszcze zauważona.

Jednak german jest dobrą alternatywą dla krzemu. Te dwa pierwiastki tworzą podobne struktury krystaliczne, ale german indukuje przejście między fazami chemicznymi w niższych temperaturach i ciśnieniach, które można bardziej kontrolować w eksperymentach laboratoryjnych.

Praca z granitem magnezowym, Mg₂geo₄podobny do jednego z najobfitszych płaszczy minerały krzemianoweW tym artykule zespół był w stanie zebrać informacje o możliwych minerałach super-Ziemi i dużych skalistych egzoplanet.

Pod ciśnieniem około dwóch milionów razy większym od normalnego, pojawiła się nowa faza o wyraźnej strukturze krystalicznej, zawierająca german związany z ośmioma tlenami.

„Najbardziej interesujące dla mnie jest to, że magnez i german, które są dwoma bardzo różnymi pierwiastkami, zastępują się w strukturze” – powiedział Cohen.

W warunkach otoczenia większość krzemianów i germanów jest zorganizowana w tak zwaną strukturę czworościenną, jeden centralny krzem lub german związany z czterema innymi atomami. Jednak w ekstremalnych warunkach może się to zmienić.

Tracy wyjaśnił, że „odkrycie, że pod ekstremalnym ciśnieniem krzemiany mogą przyjąć strukturę nastawioną na sześć wiązań, a nie cztery, całkowicie zmieniło grę pod względem zrozumienia przez naukowców głębokiej dynamiki Ziemi”. „Odkrycie ośmiokrotnego trendu może mieć podobnie rewolucyjne implikacje dla tego, jak myślimy o dynamice wewnętrznej egzoplanety”.