Wat gebeurt er in de diepten van verre werelden?

De natuurkunde en scheikunde die diep in onze planeet plaatsvinden, zijn fundamenteel voor het bestaan ​​van het leven zoals wij dat kennen. Maar welke krachten zijn er aan het werk in het binnenste van verre werelden, en hoe beïnvloeden deze omstandigheden hun bewoonbaarheid?

Nieuw werk onder leiding van het Carnegie Earth and Planetary Laboratory maakt gebruik van laboratoriumsimulatiemethoden om een ​​nieuwe kristalstructuur te onthullen die grote implicaties heeft voor ons begrip van de binnenkant van grote, rotsachtige exoplaneten. Hun bevindingen zijn eerder gepubliceerd Proceedings van de National Academy of Sciences.

Rajkrishna Dutta, hoofdauteur van de Carnegie University, legt uit: “De interne dynamiek van onze planeet is essentieel voor het in stand houden van een oppervlakteomgeving waarin leven kan gedijen – het aandrijven van de geodynamo die ons magnetisch veld creëert en de samenstelling van onze atmosfeer vormt.” “De omstandigheden in de diepten van grote, rotsachtige exoplaneten zoals bovenaardse planeten zouden nog extremer zijn.”

Silicaatmineralen vormen de meeste aardlagen en worden verondersteld ook een belangrijk onderdeel te zijn van het binnenste van andere rotsachtige planeten, op basis van berekeningen van hun dichtheid. Op aarde treden structurele veranderingen op in de onderstaande silicaten hoge druk Temperatuuromstandigheden bepalen grote grenzen diep in het binnenste van de aarde, zoals die tussen de bovenste en onderste mantel.

Het onderzoeksteam – waaronder Sally John Tracy van Carnegie, Ron Cohen, Francesca Mussi, Kai Lu en Jing Yang, evenals Pamela Burnley van de University of Nevada Las Vegas, Dean Smith en Yu Ming van het Argonne National Laboratory en Stella Chariton en Can Vitaly Brakabenka van de Universiteit van Chicago Thomas Duffy van de Universiteit van Princeton is geïnteresseerd in het onderzoeken van de opkomst en het gedrag van nieuwe vormen van silicaten onder omstandigheden die lijken op die op verre werelden.

“Al tientallen jaren hebben Carnegie-onderzoekers een pioniersrol vervuld bij het nabootsen van de innerlijke omstandigheden van planeten door kleine materiaalmonsters onder enorme druk en hoge temperaturen te plaatsen,” zei Duffy.

Maar er zijn beperkingen aan het vermogen van wetenschappers om de interne omstandigheden van exoplaneten in het laboratorium na te bootsen. Theoretische modellering wees op de opkomst van nieuwe fasen van silicaat onder de verwachte druk in de mantels van rotsachtige exoplaneten die minstens vier keer de massa van de aarde zijn. Maar deze verschuiving is nog niet opgemerkt.

Germanium is echter een goed alternatief voor silicium. De twee elementen vormen vergelijkbare kristalstructuren, maar germanium induceert een overgang tussen chemische fasen bij lagere temperaturen en drukken, die beter kunnen worden gecontroleerd in laboratoriumexperimenten.

Werken met Magnesium Graniet, Mg₂Geo₄vergelijkbaar met een van de meest voorkomende mantel silicaat mineralenIn dit artikel kon het team informatie verzamelen over de mogelijke mineralen van de superaarde en de grote rotsachtige exoplaneten.

Onder ongeveer twee miljoen keer normale atmosferische druk verscheen een nieuwe fase met een duidelijke kristalstructuur bestaande uit germanium gebonden aan acht zuurstofatomen.

“Het meest interessante voor mij is dat magnesium en germanium, twee heel verschillende elementen, elkaar in de structuur vervangen”, zei Cohen.

Onder omgevingsomstandigheden zijn de meeste silicaten en germaniums georganiseerd in een zogenaamde tetraëdrische structuur, één centraal silicium of germanium gebonden aan vier andere atomen. Onder extreme omstandigheden kan dit echter veranderen.

Tracy legde uit dat “de ontdekking dat silicaten onder extreme druk een structuur konden aannemen die gericht was op zes bindingen in plaats van vier, een totale game-changer was in termen van het begrip van wetenschappers van diepe aarddynamiek.” “De ontdekking van een achtvoudige trend zou vergelijkbare revolutionaire implicaties kunnen hebben voor hoe we denken over de dynamiek van binnen- en buitenplaneten.”