Fysiken och kemin som äger rum djupt inne på vår planet är grundläggande för existensen av liv som vi känner det. Men vilka krafter verkar i avlägsna världars inre, och hur påverkar dessa förhållanden deras potential för beboelighet?

Nytt arbete som leds av Carnegies Earth and Planets Laboratory använder labbbaserad mimik för att avslöja en ny kristallstruktur som har stora konsekvenser för vår förståelse av det inre av stora, steniga exoplaneter. Deras resultat publiceras av Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Den inre dynamiken på vår planet är avgörande för att upprätthålla en ytmiljö där liv kan frodas - driver geodynamo som skapar vårt magnetfält och formar sammansättningen av vår atmosfär", förklarade Carnegies Rajkrishna Dutta, huvudförfattaren. "Förhållandena som finns i djupet av stora, steniga exoplaneter som superjordar skulle vara ännu mer extrema."

Silikatmineraler utgör det mesta av jordens mantel och tros vara en viktig del av interiören av andra steniga planeter också, baserat på beräkningar av deras densitet. På jorden definierar de strukturella förändringar som induceras i silikater under högt tryck och temperaturförhållanden nyckelgränser i jordens djupa inre, som den mellan den övre och nedre manteln.

Forskargruppen – som inkluderade Carnegies Sally June Tracy, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo och Jing Yang, samt Pamela Burnley från University of Nevada Las Vegas, Dean Smith och Yue Meng från Argonne National Laboratory, Stella Chariton och Vitali Prakapenka från University of Chicago och Thomas Duffy från Princeton University – var intresserade av att undersöka uppkomsten och beteendet hos nya former av silikat under förhållanden som efterliknar de som finns i avlägsna världar.

"I decennier har Carnegie-forskare varit ledande när det gäller att återskapa villkoren för planetariska interiörer genom att sätta små prover av material under enorma tryck och höga temperaturer", säger Duffy.

Men det finns begränsningar för forskarnas förmåga att återskapa villkoren för exoplanetära interiörer i labbet. Teoretisk modellering har visat att nya faser av silikat dyker upp under de tryck som förväntas finnas i mantlarna på steniga exoplaneter som är minst fyra gånger mer massiva än jorden. Men denna övergång har ännu inte observerats.

Men germanium är en bra stand-in för kisel. De två elementen bildar liknande kristallina strukturer, men germanium inducerar övergångar mellan kemiska faser vid lägre temperaturer och tryck, som är mer hanterbara att skapa i laboratorieexperiment.

Arbeta med magnesiumgermanat, Mg₂ GeO₄ , analogt med en av mantelns mest förekommande silikatmineraler, kunde teamet samla information om den potentiella mineralogin hos superjordar och andra stora, steniga exoplaneter.

Under cirka 2 miljoner gånger normalt atmosfärstryck uppstod en ny fas med en distinkt kristallin struktur som involverar ett germanium bundet med åtta syreämnen.

"Det mest intressanta för mig är att magnesium och germanium, två väldigt olika grundämnen, ersätter varandra i strukturen," sa Cohen.

Under omgivande förhållanden är de flesta silikater och germanater organiserade i vad som kallas en tetraedrisk struktur, en central kisel eller germanium bunden med fyra andra atomer. Men under extrema förhållanden kan detta ändras.

"Upptäckten att silikater under extremt tryck kunde anta en struktur orienterad kring sex bindningar, snarare än fyra, var en total spelförändring när det gäller forskarnas förståelse av djup jorddynamik," förklarade Tracy. "Upptäckten av en åttafaldig orientering kan ha liknande revolutionerande implikationer för hur vi tänker om dynamiken i exoplaneternas interiörer."