Framsteg inom astronomiska observationer har resulterat i upptäckten av ett extraordinärt antal extrasolära planeter, några av dem tros ha en stenig sammansättning som liknar jorden. Att lära sig mer om deras inre struktur kan ge viktiga ledtrådar om deras potentiella beboelighet.

Leds av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ett team av forskare syftar till att låsa upp några av dessa hemligheter genom att förstå egenskaperna hos järnoxid – en av beståndsdelarna i jordens mantel – vid de extrema tryck och temperaturer som sannolikt finns i det inre av dessa stora steniga extrasolära planeter. Resultaten av deras experiment publicerades idag i Naturgeovetenskap .

"På grund av den begränsade mängden tillgänglig data, majoriteten av inre strukturmodeller för steniga exoplaneter antar en uppskalad version av jorden, bestående av en järnkärna, omgiven av en mantel dominerad av silikater och oxider. Dock, detta tillvägagångssätt försummar till stor del de olika egenskaper som de ingående materialen kan ha vid tryck som överstiger de som finns inne i jorden, sa Federica Coppari, LLNL fysiker och huvudförfattare på studien. "Med det ständigt ökande antalet bekräftade exoplaneter, inklusive de som tros vara steniga till sin natur, det är viktigt att få en bättre förståelse för hur deras planetariska byggstenar beter sig djupt inne i sådana kroppar."

Använder jättelasrar vid University of Rochesters Omega Laser Facility, forskarna pressade ett järnoxidprov till nästan 7 megabar (eller Mbar - 7 miljoner gånger jordens atmosfärstryck), förhållanden som förväntas i det inre av steniga exoplaneter som är ungefär fem gånger mer massiva än jorden. De sprängde ytterligare lasrar på en liten metallfolie för att skapa en kort puls av röntgenstrålar, tillräckligt ljus för att göra det möjligt för dem att fånga en ögonblicksbild av röntgendiffraktion av det komprimerade provet.

"Precis timing är kritisk eftersom topptryckstillståndet upprätthålls i högst 1 miljarddels sekund, ", sa Coppari. Eftersom röntgendiffraktion är unikt lämpad för att ge en mätning av avståndet mellan atomer och hur de är ordnade i ett kristallint gitter, teamet fann att när järnoxid komprimeras till tryck som överstiger 3 Mbar - trycket från jordens inre kärna - omvandlas den till en annan fas, där atomerna är tätare packade.

"Att hitta högtrycksjärnoxidstrukturen vid förhållanden som överstiger de som existerar inuti jorden är mycket intressant eftersom denna form förväntas ha en mycket lägre viskositet än kristallstrukturen som finns vid omgivningsförhållanden och i jordens mantel, " sa Coppari.

Genom att kombinera de nya data med tidigare mätningar på magnesiumoxid, en annan nyckelbeståndsdel av steniga planeter, teamet byggde en modell för att förstå hur fasövergången i järnoxid kan påverka deras förmåga att blanda. De fann att manteln hos stora terrestra exoplaneter kunde vara mycket annorlunda än vad man vanligtvis föreställer sig, har troligen mycket olika viskositet, elektrisk ledningsförmåga och reologiska egenskaper.

"De mer extrema förhållandena som förväntas inuti stora steniga superjordar gynnar uppkomsten av en ny och komplex mineralogi där de ingående materialen blandas (eller blandas upp), flöda och deformeras på ett helt annat sätt än i jordens mantel, ", sa Coppari. "Blandning spelar inte bara en roll i bildningen och utvecklingen av planeten, men påverkar också dramatiskt reologi och konduktivitet, som i slutändan är relaterade till dess beboelighet."

Blickar framåt, denna forskning förväntas stimulera ytterligare experimentella och teoretiska studier som syftar till att förstå blandningsegenskaperna hos de ingående materialen vid aldrig tidigare skådade tryck och temperaturförhållanden.

"Det finns fortfarande så mycket att lära om material under extrema förhållanden och ännu mer om planetbildning och evolution, ", sa hon. "Det är förbluffande att tänka att våra laboratorieexperiment kan titta in i planeternas inre struktur så långt borta med oöverträffad upplösning och bidra till en djupare förståelse av universum."