Utanför vårt solsystem, synlig endast som den minsta prick i rymden med även de mest kraftfulla teleskopen, andra världar finns. Många av dessa världar, astronomer har upptäckt, kan vara mycket större än jorden och helt täckt av vatten - i princip havsplaneter utan utskjutande landmassor. Vilken typ av liv skulle kunna utvecklas i en sådan värld? Kan en sådan här livsmiljö ens stödja livet?

Ett team av forskare ledda av Arizona State University (ASU) gav sig nyligen ut för att undersöka dessa frågor. Och eftersom de inte kunde resa till avlägsna exoplaneter för att ta prover, de bestämde sig för att återskapa förhållandena för dessa vattenvärldar i laboratoriet. I detta fall, det laboratoriet var den avancerade fotonkällan (APS), en U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory.

Vad de hittade – nyligen publicerat i Proceedings of the National Academy of Sciences — var en ny övergångsfas mellan kiseldioxid och vatten, vilket indikerar att gränsen mellan vatten och sten på dessa exoplaneter inte är lika fast som den är här på jorden. Denna avgörande upptäckt kan förändra hur astronomer och astrofysiker har modellerat dessa exoplaneter, och informera om hur vi tänker om livet som utvecklas på dem.

Dan Shim, docent vid ASU, ledde denna nya forskning. Shim leder ASU:s Lab for Earth and Planetary Materials och har länge varit fascinerad av den geologiska och ekologiska sammansättningen av dessa avlägsna världar. Den kompositionen, han sa, är ingenting som alla planeter i vårt solsystem – dessa planeter kan ha mer än 50 % vatten eller is ovanpå sina bergskikt, och dessa bergskikt skulle behöva existera vid mycket höga temperaturer och under krossande tryck.

"Det är svårt att bestämma exoplaneternas geologi, eftersom vi inte kan använda teleskop eller skicka rovers till deras ytor, "Shim sa. "Så vi försöker simulera geologin i labbet."

Hur gör man det? Först, du behöver rätt verktyg. För detta experiment, Shim och hans team tog med sina prover till två APS-strållinjer:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) vid strållinje 13-ID-D, drivs av University of Chicago, och High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) vid strållinje 16-ID-B, drivs av Argonnes X-ray Science Division.

Proverna komprimerades i diamantstädceller, i huvudsak två diamanter av ädelstenskvalitet med små platta spetsar. Lägg ett prov mellan dem och du kan pressa ihop diamanterna, öka trycket.

"Vi kan höja trycket till flera miljoner atmosfärer, sa Yue Meng, en fysiker vid Argonnes röntgenvetenskapsavdelning och en medförfattare på tidningen. Meng var en av huvuddesignerna av de tekniker som användes vid HPCAT, som specialiserat sig på högtryck, högtemperaturexperiment.

"APS är en av få platser i världen där man kan bedriva den här typen av spetsforskning, " sa hon. "Strållinjeforskarna, tekniker och ingenjörer gör denna forskning möjlig."

Trycket från exoplaneter, Shim sa, kan beräknas, även om uppgifterna vi har om dessa planeter är begränsade. Astronomer kan mäta massan och densiteten, och om planetens storlek och massa är kända, rätt tryck kan bestämmas.

När provet är trycksatt, infraröda lasrar – som kan justeras till mindre än en mänsklig blodkropps bredd – används för att värma upp den. "Vi kan få provet upp till tusentals grader Fahrenheit, sa Vitali Prakapenka, en strållinjeforskare vid GSECARS, en forskningsprofessor vid University of Chicago och en medförfattare på tidningen. "Vi har två högeffektslasrar som lyser på provet från båda sidor exakt i linje med en ultraljus APS-röntgensond och temperaturmätningar längs de optiska banorna med en noggrannhet under mikron."

Exoplaneternas temperatur är svårare att mäta, eftersom det finns så många faktorer som bestämmer det:mängden värme som finns inuti planeten, planetens ålder, och mängden radioaktiva isotoper som sönderfaller inuti strukturen, avger mer värme. Shims team beräknade ett intervall av temperaturer att arbeta utifrån.

När provet är trycksatt och uppvärmt, APS:s ultraljusa röntgenstrålar (som kan se genom diamanterna och in i själva provet) kan tillåta forskare att ta ögonblicksbilder av strukturförändringar i atomskala under de kemiska reaktionerna när de inträffar. I detta fall, Shim och hans team doppade en liten mängd kiseldioxid i vatten, ökade trycket och temperaturen, och övervakade hur materialen skulle reagera.

Vad de upptäckte är att vid hög temperatur och tryck på cirka 30 gigapascal (cirka 300, 000 gånger standardatmosfärstrycket på jorden), vattnet och stenen börjar smälta samman.

"Om du skulle bygga en planet med vatten och sten, du skulle anta att vattnet bildar ett lager ovanför stenen, " sa han. "Vad vi hittade är att det inte nödvändigtvis är sant. Med tillräckligt med värme och tryck, gränsen mellan sten och vatten blir suddig."

Detta är en ny idé som kommer att behöva införlivas i modeller av exoplaneter, sa Prakapenka.

"Huvudpoängen är att det säger människorna som modellerar strukturen på dessa planeter att sammansättningen är mer komplicerad än vi trodde, ", sa Prakapenka. "Innan vi trodde att det fanns en separation mellan sten och vatten, men baserat på dessa studier, det finns ingen skarp gräns."

Forskare har utfört liknande experiment tidigare, Shim sa, men de var baserade på en jordliknande miljö med mindre mängder vatten. Att observera denna nya fasövergång ger modellbyggare en bättre uppfattning om den faktiska geologiska sammansättningen av vattenrika exoplaneter, och även insikter i vilka typer av liv som kan kalla dessa exoplaneter hem.

"Det är en utgångspunkt för att bygga hur kemin fungerar på dessa planeter, "Shim sa. "Hur vatten interagerar med sten är viktigt för livet på jorden, och därför, det är också viktigt att förstå vilken typ av liv som kan finnas i vissa av dessa världar."

Shim erkänner att denna forskning inte är det första man kan tänka sig när man tänker på en ljuskälla som APS. Men det är just den mångfalden som han sa är en fördel med storskaliga användaranläggningar.

"Folk tänker knappt på astrofysik när man talar om en röntgenanläggning, ", sa han. "Men vi kan använda en anläggning som APS för att förstå ett föremål som är för långt bort för att vi ska kunna se det."