В глубине сердца инопланетных миров кристаллы образуются под давлением, в 40 миллионов раз более интенсивным, чем атмосферное давление на Земле, и в 10 раз более интенсивным, чем давление в ядре нашей планеты. Лучшее понимание их могло бы помочь нам искать жизнь в других местах нашей галактики.
Сейчас ученые почти ничего не знают об этих таинственных кристаллах. Они не знают, как и когда они формируются, как они выглядят или как ведут себя. Но ответы на эти вопросы могут иметь огромное значение для поверхностей этих миров - покрыты ли они либо текущей магмой или льдом, либо бомбардируются излучением звезд-хозяев. Ответ, в свою очередь, может повлиять на возможность существования на этих планетах жизни.
Внутренности этих экзопланет загадочны для нас, потому что в нашей солнечной системе планеты имеют тенденцию быть либо маленькими и каменистыми, как Земля и Марс, либо большими и газообразными, как Сатурн и Юпитер. Но в последние годы астрономы обнаружили, что так называемые «суперземли» - гигантские скалистые планеты - и «мини-нептуны» - меньшие газовые планеты, чем существуют в нашей солнечной системе, - чаще встречаются в остальной части нашей галактики.
Поскольку эти планеты можно увидеть только как слабые мерцания в свете, исходящем от их звезд-хозяев, многое о них остается загадочным. Они сверхплотные или сверхширокие? Из чего сделаны их поверхности? Есть ли у них магнитные поля? Оказывается, что ответы на эти вопросы сильно зависят от того, как ведут себя камни и железо в их сверхпрочных ядрах.
Пределы современной науки
Прямо сейчас наше понимание экзопланет основано главным образом на увеличении или уменьшении того, что мы знаем о планетах в нашей собственной солнечной системе, сказала Диана Валенсия, ученый-планетолог из Университета Торонто в Канаде, который выступил на мартовской встрече американцев. Физическое общество (APS) для физиков минералов, чтобы исследовать эти экзотические экзопланетные материалы.
Проблема с подходом масштабирования заключается в том, что вы не можете понять, как железо будет вести себя в 10 раз больше давления ядра Земли, просто умножаясь, сказала она. При этих огромных нагрузках свойства химических веществ в корне меняются.
«Мы ожидаем найти кристаллы внутри суперземли, которых не существует ни на Земле, ни где-либо еще в природе», - сказал Ларс Стиксруд, физик-теоретик из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, который сделал Основные теоретические работы для расчета свойств этих экстремальных материалов. «Это были бы уникальные расположения атомов, которые существуют только при очень высоком давлении».
Эти различные договоренности случаются, сказал он Live Science, потому что огромное давление в корне меняет то, как атомы связываются вместе. На поверхности Земли и даже глубоко внутри нашей планеты атомы соединяются, используя только электроны в своих внешних оболочках. Но при сверхземных давлениях электроны, расположенные ближе к атомному ядру, включаются и полностью изменяют формы и свойства материалов.
И эти химические свойства могут повлиять на поведение целых планет. Например, ученые знают, что суперземли удерживают много тепла. Но они не знают, сколько - и ответ на этот вопрос имеет большое значение для вулканов и тектоники плит этих планет. При внутреннем давлении Земли более легкие элементы смешиваются с железным ядром, воздействуя на магнитное поле планеты, но этого может не произойти при более высоких давлениях. Даже физический размер суперземель зависит от кристаллической структуры соединений в их ядрах.
По словам Валенсии, без планет такого рода, которые можно было бы изучать вблизи нашей Солнечной системы, ученым приходится обращаться к базовым физическим расчетам и экспериментам, чтобы ответить на подобные вопросы. Но эти расчеты часто приводят к открытым ответам, сказал Стиксруд. Что касается экспериментов?
«Эти давления и температуры находятся за пределами возможностей большинства технологий и экспериментов, которые мы проводим сегодня», - сказал он.
Построение супер-Земли на обычной Земле
На Земле самые экстремальные эксперименты с давлением включают дробление крошечных образцов между заостренными точками двух промышленных алмазов.
Но эти алмазы имеют тенденцию разрушаться задолго до достижения сверхземного давления, сказал Стиксруд. Чтобы обойти ограничения алмазов, физики обращаются к экспериментам по динамическому сжатию, подобным выполненным физиком-минералом Томом Даффи и его командой в Принстонском университете.
Эти эксперименты производят больше суперземоподобных давлений, но только на доли секунды.
«Идея состоит в том, что вы облучаете образец лазером очень высокой мощности, быстро нагреваете поверхность этого образца и выдуете плазму», - сказал в эфире Live Science Даффи, председательствовавший на сессии APS, на которой выступал Валенсия.
Биты образца, внезапно нагретые, взрываются с поверхности, создавая волну давления, которая проходит через образец.
«Это действительно похоже на эффект ракетного корабля», - сказал Даффи.
Используемые образцы крошечные - почти плоские и имеют площадь около миллиметра на поверхности, сказал он. И все это длится считанные наносекунды. Когда волна давления достигает задней части образца, все разрушается. Но благодаря тщательным наблюдениям во время этих коротких импульсов Даффи и его коллеги выяснили плотности и даже химическую структуру железа и других молекул при ранее невиданных давлениях.
По словам Валенсии, все еще остается много вопросов без ответов, но уровень знаний в этой области быстро меняется. Например, первая статья о структуре суперземель (которую Валенсия опубликовала в феврале 2007 года в Астрофизическом журнале в качестве аспиранта в Гарварде) устарела, потому что физики получили новую информацию о химических веществах на нашей собственной планете.
Даффи сказал, что важно ответить на эти вопросы, потому что они могут сказать нам, есть ли у далеких инопланетных миров такие характеристики, как тектоника плит, текущая магма и магнитные поля, и, следовательно, могут ли они поддерживать жизнь.
