Wissenschaftler untersuchen die innere Struktur von felsigen Exoplaneten
Fortschritte bei astronomischen Beobachtungen haben zur Entdeckung einer großen Anzahl von Exoplaneten geführt, von denen angenommen wird, dass einige eine felsige Zusammensetzung haben, die der der Erde ähnlich ist. Das Studium ihrer inneren Struktur kann wichtige Hinweise auf ihre mögliche Bewohnbarkeit liefern.
Unter der Leitung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) versucht ein Forscherteam, einige dieser Geheimnisse aufzudecken, indem es die Eigenschaften von Eisenoxid, einem Bestandteil des Erdmantels, unter den extremen Drücken und Temperaturen im Darm untersucht von diesen großen, felsigen Exoplaneten. Die Ergebnisse ihrer Experimente wurden in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
„Aufgrund der begrenzten verfügbaren Datenmenge gehen die meisten Modelle der inneren Struktur von felsigen Exoplaneten von einer skalierten Version der Erde aus, die aus einem Eisenkern besteht, der von einem von Silikaten und Oxiden dominierten Mantel umgeben ist. Dieser Ansatz ignoriert jedoch weitgehend die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialbestandteile, die bei Drücken auftreten können, die über denen im Erdinneren liegen “, sagte Federica Coppari, LLNL-Physikerin und Hauptautorin der Studie.
Bei einer wachsenden Anzahl bestätigter Exoplaneten, einschließlich solcher, von denen angenommen wird, dass sie felsiger Natur sind, ist es unerlässlich, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie sich ihre planetarischen Bausteine tief in solchen Körpern verhalten.
Mit riesigen Lasern am Omega-Laser der Universität von Rochester komprimierten die Forscher die Eisenoxidprobe auf fast 7 Megabar (oder Mbar - 7 Millionen Erdatmosphärendruck), Bedingungen, die in felsigen Exoplaneten etwa fünfmal so massereich sind wie auf der Erde.
Sie richteten zusätzliche Laser auf eine kleine Metallfolie, um einen kurzen Röntgenpuls zu erzeugen, der hell genug ist, um ein Röntgenbeugungsbild der komprimierten Probe aufzunehmen.
"Ein genaues Timing ist entscheidend, da der Spitzendruck nicht mehr als 1 Milliardstel Sekunde beträgt", sagen die Wissenschaftler. Da die Röntgenbeugung in einzigartiger Weise zur Messung des Abstands zwischen Atomen und ihrer Anordnung in einem Kristallgitter geeignet ist, stellten die Forscher fest, dass Eisenoxid, wenn es auf einen Druck von mehr als 3 Mbar komprimiert wird - den Druck des inneren Erdkerns geht in eine andere Phase, in der die Atome dichter gepackt sind.
„Es ist sehr interessant, eine Hochdruck-Eisenoxidstruktur unter Bedingungen zu finden, die über die im Erdinneren herrschenden Bedingungen hinausgehen, da erwartet wird, dass diese Form eine viel niedrigere Viskosität aufweist als die Kristallstruktur unter Umgebungsbedingungen und im Erdmantel“, sagt Federica Coppari.
Durch die Kombination der neuen Daten mit früheren Messungen von Magnesiumoxid, einer weiteren Schlüsselkomponente felsiger Planeten, erstellte das Team ein Modell, um zu verstehen, wie sich der Phasenübergang in Eisenoxid auf ihre Mischfähigkeit auswirken könnte.
Sie fanden heraus, dass sich der Mantel großer terrestrischer Exoplaneten stark von dem unterscheiden kann, was allgemein angenommen wird, wahrscheinlich mit sehr unterschiedlichen Viskositäten, elektrischer Leitfähigkeit und rheologischen Eigenschaften.
Die extremeren Bedingungen, die in großen, felsigen Supererden zu erwarten sind, fördern eine neue und komplexe Mineralogie, bei der sich die Bestandteile auf völlig andere Weise mischen (oder nicht mischen), fließen und verformen als im Erdmantel “, sagen die Forscher . „Das Mischen spielt nicht nur eine Rolle bei der Bildung und Entwicklung des Planeten, sondern wirkt sich auch dramatisch auf die Rheologie und Leitfähigkeit aus, die letztendlich mit seiner Bewohnbarkeit zusammenhängen.
Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass diese Arbeit weitere experimentelle und theoretische Forschungen anregt, die darauf abzielen, die Mischeigenschaften von Materialbestandteilen unter beispiellosen Druck- und Temperaturbedingungen zu verstehen.
Es gibt so viel mehr über Materialien unter extremen Bedingungen zu lernen und noch mehr über die Bildung und Entwicklung von Planeten, sagt Federica Coppari. Es ist erstaunlich, dass unsere Laborexperimente mit beispielloser Auflösung in die innere Struktur von Planeten blicken und zu einem tieferen Verständnis des Universums beitragen können.