Medan forskare har samlat på sig betydande kunskap om de steniga planeterna i vårt solsystem, som jorden och Mars, mycket mindre är känt om de isiga vattenrika planeterna, Neptunus och Uranus.

I en ny studie som nyligen publicerades i Natur astronomi , ett team av forskare återskapade temperaturen och trycket i det inre av Neptunus och Uranus i labbet, och på så sätt har fått en större förståelse för kemin i dessa planeters djupvattenlager. Deras fynd ger också ledtrådar till sammansättningen av oceaner på vattenrika exoplaneter utanför vårt solsystem.

Neptunus och Uranus anses konventionellt ha distinkta separata lager, som består av en atmosfär, is eller vätska, en stenig mantel och en metallisk kärna. För denna studie, forskargruppen var särskilt intresserad av möjlig reaktion mellan vatten och berg i de djupa interiörerna.

"Genom denna studie, vi försökte utöka vår kunskap om isjättarnas djupa inre och bestämma vilka interaktioner mellan vatten och berg under extrema förhållanden som kan förekomma, " säger huvudförfattaren Taehyun Kim, vid Yonsei University i Sydkorea. "Isjättar och vissa exoplaneter har mycket djupa vattenlager, till skillnad från jordiska planeter. Vi föreslog möjligheten av en atomisk blandning av två av de planetbyggande materialen (vatten och sten) i isjättarnas inre."

För att efterlikna förhållandena för djupvattenlagren på Neptunus och Uranus i labbet, teamet sänkte först ned typiska stenbildande mineraler, olivin och ferroperiklas, i vatten och komprimerade provet i ett diamantstäd till mycket höga tryck. Sedan, att övervaka reaktionen mellan mineralerna och vattnet, de tog röntgenmätningar medan en laser värmde provet till hög temperatur.

Den resulterande kemiska reaktionen ledde till höga koncentrationer av magnesium i vattnet. Baserat på dessa fynd, teamet drog slutsatsen att hav på vattenrika planeter kanske inte har samma kemiska egenskaper som jordens hav och högt tryck skulle göra dessa hav rika på magnesium.

"Vi fann att magnesium blir mycket mer lösligt i vatten vid höga tryck. Faktum är att magnesium kan bli lika lösligt i vattenlagren i Uranus och Neptunus som salt i jordens hav, " säger studiens medförfattare Sang-Heon Dan Shim från Arizona State Universitys School of Earth and Space Exploration.

Dessa egenskaper kan också hjälpa till att lösa mysteriet om varför Uranus atmosfär är mycket kallare än Neptunus, trots att de båda är vattenrika planeter. Om mycket mer magnesium finns i Uranus vattenlager under atmosfären, det kan blockera värme från att fly från det inre till atmosfären.

"Detta magnesiumrika vatten kan fungera som en termisk filt för planetens inre, säger Shim.

Bortom vårt solsystem, dessa högtrycks- och högtemperaturexperiment kan också hjälpa forskare att få en större förståelse för sub-Neptunus exoplaneter, som är planeter utanför vårt solsystem med en mindre radie eller en mindre massa än Neptunus.

Sub-Neptunus planeter är den vanligaste typen av exoplaneter som vi känner till hittills, och forskare som studerar dessa planeter antar att många av dem kan ha ett tjockt vattenrikt lager med en stenig insida. Denna nya studie tyder på att de djupa haven av dessa exoplaneter skulle skilja sig mycket från jordens hav och kan vara magnesiumrika.

"Om en tidig dynamisk process möjliggjorde en sten-vattenreaktion i dessa exoplaneter, det översta vattenlagret kan vara rikt på magnesium, möjligen påverka planetens termiska historia, säger Shim.

För nästa steg, teamet hoppas kunna fortsätta sina högtrycks-/högtemperaturexperiment under olika förhållanden för att lära sig mer om planeternas sammansättning.

"Detta experiment gav oss en plan för ytterligare utforskning av de okända fenomenen i isjättar, säger Kim.