En illustration som visar hur en kombination av statiska högtryckssyntestekniker och dynamiska metoder gjorde det möjligt för forskarna att undersöka magnesiumsilikatbridgmaniten, tros dominera i mantlarna på steniga planeter, under extrema förhållanden som efterliknar det inre av en superjord. Kredit:Yingwei Fei. Sandia Z Machine-fotografi av Randy Montoya, Sandia National Laboratories.
Ny forskning ledd av Carnegies Yingwei Fei ger ett ramverk för att förstå superjordarnas inre – steniga exoplaneter mellan 1,5 och 2 gånger storleken på vår hemplanet – vilket är en förutsättning för att bedöma deras potential för beboelighet. Planeter av denna storlek är bland de vanligaste i exoplanetära system. Tidningen publiceras i Naturkommunikation .
"Även om observationer av en exoplanets atmosfäriska sammansättning kommer att vara det första sättet att söka efter signaturer för liv bortom jorden, många aspekter av en planets yta påverkas av vad som händer under planetens yta, och det är där Carnegie-forskarens långvariga expertis inom egenskaperna hos steniga material under extrema temperaturer och tryck kommer in, " förklarade Earth and Planets Laboratory Director Richard Carlson.
På jorden, den inre dynamiken och strukturen hos silikatmanteln och den metalliska kärnans drivplattektonik, och genererar geodynamo som driver vårt magnetfält och skyddar oss från farliga joniserande partiklar och kosmiska strålar. Livet som vi känner det skulle vara omöjligt utan detta skydd. Liknande, superjordarnas inre dynamik och struktur kommer att forma planetens ytförhållanden.
Med spännande upptäckter av en mångfald steniga exoplaneter under de senaste decennierna, är mycket mer massiva superjordar kapabla att skapa förutsättningar som är gästvänliga för att livet ska uppstå och frodas?
Kunskap om vad som händer under en superjords yta är avgörande för att avgöra om en avlägsen värld är kapabel att hysa liv eller inte. Men de extrema förhållandena i planetariska interiörer av superjordmassa utmanar forskarnas förmåga att undersöka materialegenskaperna hos de mineral som sannolikt finns där.
Det är där labbbaserad mimik kommer in.
En illustration av en vetenskapsman som använder labbbaserade tekniker för att undersöka de troliga förhållandena i exoplaneternas interiörer. Kredit:Katherine Cain, Carnegie Institute for Science.
I årtionden, Carnegie-forskare har varit ledande när det gäller att återskapa villkoren för planetariska interiörer genom att sätta små prover av material under enorma tryck och höga temperaturer. Men ibland når även dessa tekniker sina begränsningar.
"För att bygga modeller som tillåter oss att förstå den inre dynamiken och strukturen hos superjordar, vi måste kunna ta data från prover som approximerar de förhållanden som skulle finnas där, som kan överstiga 14 miljoner gånger atmosfärstrycket, "Fei förklarade. "Men, vi stötte hela tiden på begränsningar när det gällde att skapa dessa förutsättningar i labbet. "
Ett genombrott inträffade när teamet – inklusive Carnegies Asmaa Boujibar och Peter Driscoll, tillsammans med Christopher Seagle, Joshua Townsend, Chad McCoy, Luke Shulenburger, och Michael Furnish från Sandia National Laboratories – fick tillgång till världens mäktigaste, magnetiskt driven pulsad kraftmaskin (Sandias Z Pulsed Power Facility) för att direkt chocka ett högdensitetsprov av bridgmanit – ett högtrycksmagnesiumsilikat som tros vara dominerande i mantlarna på steniga planeter – för att exponera det för extrema förhållanden som är relevanta för superjordarnas inre.
En serie chockvågsexperiment med hyperhastighet på representativt mantelmaterial från superjorden gav mätningar av densitet och smälttemperatur som kommer att vara grundläggande för att tolka de observerade massorna och radierna hos superjordarna.
Forskarna fann att under tryck representativt för superjordiska interiörer, bridgmanit har en mycket hög smältpunkt, vilket skulle få viktiga konsekvenser för interiörens dynamik. Under vissa termiska evolutionära scenarier, de säger, massiva steniga planeter kan ha en termiskt driven geodynamo tidigt i sin utveckling, sedan förlora det i miljarder år när nedkylningen saktar ner. En ihållande geodynamo kan så småningom återstartas genom att lättare element rör sig genom kristallisering av den inre kärnan.
"Förmågan att göra dessa mätningar är avgörande för att utveckla tillförlitliga modeller av superjordarnas inre struktur upp till åtta gånger vår planets massa, "Fei tillade. "Dessa resultat kommer att ha en djupgående inverkan på vår förmåga att tolka observationsdata."
