Varje skolbarn vet att jorden har ett magnetfält – det är det som gör att kompasserna riktar sig nord-sydlig och låter oss navigera i haven. Det skyddar också atmosfären, och därmed livet, från solens kraftiga vind.

Men hur är det med andra jordliknande planeter i galaxen? Har de också magnetiska fält för att skydda framväxande liv?

En ny analys tittar på en typ av exoplanet – superjordar upp till fem gånger så stora som vår egen planet – och drar slutsatsen att de förmodligen har ett magnetfält, men en genererad på ett helt nytt sätt:av planeternas magmahav.

Den överraskande upptäckten att långsamt kärnande smält sten vid eller under ytan kan generera ett starkt magnetfält tyder också på att under jordens första år, när det till stor del var en klump av smält sten, den hade också ett magma-genererat magnetfält. Detta var utöver sitt nuvarande område, som genereras i den yttre kärnan av flytande järn.

"Detta är en ny regim för generering av planetariska magnetfält, sa Burkhard Militzer, en UC Berkeley professor i jord- och planetvetenskap. "Vårt magnetfält på jorden genereras i den flytande yttre järnkärnan. På Jupiter, det härrör från konvektion av flytande metalliskt väte. På Uranus och Neptunus, det antas genereras i islagren. Nu har vi lagt till smält sten till denna mångsidiga lista av fältgenererande material."

Kopplingen mellan en planets inre och dess magnetfält ger också ett sätt för astronomer att lära sig om exoplaneternas makeup och åldrar för långt borta att besöka.

"Det här ligger långt fram i tiden, men om någon gör en observation av en exoplanet och de hittar ett magnetfält, det kan vara en indikation på att det finns ett magmahav, även om de inte kan se detta direkt, " sa Militzer.

Slutsatserna har också konsekvenser för chanserna för liv på andra planeter. När magmahaven svalnar från toppen, en yta som är gästvänlig för liv kan dyka upp medan den smälta manteln fortsätter att kurna.

"Ett magnetfält är till hjälp för att skydda en planetarisk atmosfär från att blåsas bort av stjärnvindarna, " sa tidigare postdoktor vid UC Berkeley François Soubiran, nu på École Normale Supérieure i Lyon, Frankrike. "De flesta av superjordarna vi upptäcker nu är mycket nära sina värdstjärnor och utsatta för mycket starka stjärnvindar. möjligheten för ett magnetfält att existera är definitivt en nyckelkomponent i planetens utveckling och dess beboelighet."

Soubiran och Militzer publicerade sina resultat den 24 september i tidskriften Naturkommunikation .

Jordens inre dynamo

Jordens magnetfält idag genereras i den yttre kärnan av smält järn, där stigande och sjunkande massor av elektriskt ledande flytande järn, kombinerat med planetens snurr, skapa en dynamo och ett ihållande magnetfält.

Men den steniga jorden smältes efter dess första bildande för 4,5 miljarder år sedan, och vissa lager kan ha förblivit smälta och konvektion – som kokande vatten, bara långsammare – i miljontals år efter dess födelse. Kan det långsamt konvektionerande magmahavet ha genererat ett magnetfält som liknar det som genereras i järnkärnan idag?

Samma fråga uppstod efter att superjordar upptäcktes runt andra stjärnor. Superjordarna är så massiva att deras inre, manteln, bör förbli flytande och konvekerande i några miljarder år efter bildandet.

I båda fallen, den långsamt kokande magman på en roterande planet kan generera ett starkt magnetfält endast om det flytande berget leder elektricitet.

Ingen visste om detta var sant.

Experiment på silikater – en term som syftar på de tusentals kiselbaserade mineraler som utgör jordens steniga inre – vid de höga temperaturerna och trycket inuti en superjord är svåra. Inte ens att fastställa om en sten förblir fast eller blir flytande är inte enkelt vid de förhållanden som är typiska för planetariska interiörer:temperaturer på 10, 000 Celsius och tryck 10 miljoner gånger högre än luften omkring oss.

"Vid standardtemperaturer och tryck, silikater är helt isolerande; elektronerna är antingen hårt bundna till kärnorna eller så är de i molekylära bindningar och kan inte röra sig fritt och skapa makroskopiska elektriska strömmar, Soubiran sa. "Även om det höga inre trycket hjälper till att minska barriärerna för elektronerna att röra sig, det var inte nödvändigtvis självklart att silikater skulle leda i superjordar."

Men Soubiran och Militzer hade tillgång till datormodeller av mineraler i atomskala som gjorde det möjligt för dem att beräkna ledningsförmågan av, I detta fall, kvarts (kiseldioxid), magnesiumoxid (magnesiumoxid) och en kisel-magnesiumoxid (post-perovskit), som alla är vanliga i stenar på jorden, månen och förmodligen alla vårt solsystems planeter.

Efter att ha utfört långa beräkningar för var och en av de tre, de upptäckte att dessa silikater blir blygsamt ledande när de ändras från fast till flytande vid höga temperaturer och tryck. När de kopplade in konduktiviteterna i modeller av jordens inre, de upptäckte att stenarna var tillräckligt ledande för att upprätthålla en dynamo och därmed ett magnetfält.

"Våra beräkningar visade att vätskans oorganiserade struktur hjälpte elektronerna att bli ledande, " sa Soubiran. Flytande silikater vid 10, 000 Celsius och 10 miljoner atmosfärers tryck har bara ungefär en hundradel av ledningsförmågan hos flytande järn, till exempel.

Soubiran noterade att planeter som roterar med en period av två dagar eller mer skulle generera ett jordliknande magnetfält:ett dipolfält med en klar nord och söder. Långsammare rotation, dock, skulle kunna skapa ett mer oorganiserat fält som skulle vara svårare att upptäcka på långt håll.

Bruce Buffett, en UC Berkeley-expert på dynamiken i jordens inre som inte var involverad i forskningen, sade att planeter kan generera magnetiska fält endast om de har rätt balans mellan elektrisk ledningsförmåga och vätskehastighet för att skapa den återkoppling som krävs för att upprätthålla ett magnetfält.

"Många geofysikers förväntningar var att, åtminstone under jordförhållanden, konduktiviteten hos flytande silikater skulle falla mer i kategorin, väl, om du verkligen hade riktigt stora vätskerörelser för att kompensera för en låg konduktivitet, du kan ha ett magnetfält, sa Buffett, professor i jord- och planetvetenskap. "Detta är den första detaljerade beräkningen för högre temperatur- och tryckförhållanden, och den finner att konduktiviteterna verkar vara lite högre, så de flytande rörelserna du skulle behöva för att få allt att fungera är kanske lite mindre extrema."