Что происходит в глубинах далеких миров?

Физика и химия, происходящие глубоко на нашей планете, имеют фундаментальное значение для существования жизни, какой мы ее знаем. Но какие силы действуют внутри далеких миров и как эти условия влияют на их обитаемость?

В новой работе под руководством Лаборатории Земли и планет Карнеги используются методы лабораторного моделирования, чтобы выявить новую кристаллическую структуру, которая имеет большое значение для нашего понимания внутренних органов больших скалистых экзопланет. Их результаты были ранее опубликованы Труды Национальной академии наук.

Раджкришна Датта, ведущий автор из Университета Карнеги, объяснил: «Внутренняя динамика нашей планеты необходима для поддержания поверхностной среды, в которой может процветать жизнь, управляя геодинамо, которое создает наше магнитное поле и формирует состав нашей атмосферы». «Условия в недрах больших каменистых экзопланет, таких как сверхземные планеты, будут еще более экстремальными».

Силикатные минералы составляют большую часть слоев Земли и, как полагают, являются основным компонентом недр других скалистых планет, основываясь на расчетах их плотности. На Земле структурные изменения происходят в силикатах ниже высокое давление Температурные условия определяют основные границы глубоко в недрах Земли, например, между верхней и нижней мантией.

Исследовательская группа, в которую входили Салли Джон Трейси из Карнеги, Рон Коэн, Франческа Мусси, Кай Лу и Цзин Ян, а также Памела Бернли из Университета Невады в Лас-Вегасе, Дин Смит и Ю Мин из Аргоннской национальной лаборатории и Стелла Харитон и Джан Виталий Бракабенко из Чикагского университета. Томас Даффи из Принстонского университета заинтересован в изучении появления и поведения новых форм силикатов в условиях, имитирующих условия на далеких мирах.

«В течение десятилетий исследователи Карнеги были пионерами в воссоздании внутренних условий планет, помещая небольшие образцы материала под огромное давление и высокие температуры», — сказал Даффи.

Но есть ограничения в способности ученых воссоздавать внутренние условия экзопланет в лаборатории. Теоретическое моделирование показало появление новых фаз силиката под давлением, которое, как ожидается, будет существовать в мантии скалистых экзопланет, масса которых как минимум в четыре раза превышает массу Земли. Но этот сдвиг пока не замечен.

Однако германий является хорошей альтернативой кремнию. Два элемента образуют похожие кристаллические структуры, но германий вызывает переход между химическими фазами при более низких температурах и давлениях, что можно лучше контролировать в лабораторных экспериментах.

Работа с магниевым гранитом, мг₂гео₄похожий на один из самых распространенных мантийных силикатные минералыВ этой статье команда смогла собрать информацию о возможных минералах суперземли и больших каменистых экзопланетах.

При давлении, примерно в два миллиона раз превышающем нормальное атмосферное, появилась новая фаза с отчетливой кристаллической структурой, включающая германий, связанный с восемью атомами кислорода.

«Самое интересное для меня то, что магний и германий, два очень разных элемента, заменяют друг друга в структуре», — сказал Коэн.

В условиях окружающей среды большинство силикатов и германия организованы в так называемую тетраэдрическую структуру, в которой один центральный кремний или германий связан с четырьмя другими атомами. Однако в экстремальных условиях это может измениться.

Трейси объяснил, что «открытие того, что силикаты под экстремальным давлением могут принимать структуру, ориентированную на шесть связей, а не на четыре, полностью изменило правила игры с точки зрения понимания учеными глубинной динамики Земли». «Открытие восьмеричной тенденции может иметь такие же революционные последствия для того, как мы думаем о динамике внутренних и внешних планет».