Syvässä vieraiden maailmojen sydämessä kiteitä muodostuu paineissa, jotka ovat jopa 40 miljoonaa kertaa voimakkaampia kuin maan ilmakehän paine, ja jopa 10 kertaa voimakkaampia kuin planeettamme ytimen paine. Niiden ymmärtäminen paremmin voisi auttaa meitä etsimään elämää muualla galaksissamme.
Tällä hetkellä tutkijat eivät tiedä melkein mitään näistä salaperäisistä kiteistä. He eivät tiedä miten ja milloin ne muodostuvat, miltä ne näyttävät tai miten käyttäytyvät. Mutta vastauksilla näihin kysymyksiin voi olla valtavia vaikutuksia näiden maailmojen pintoihin - onko ne peitetty joko virtaavalla magmalla tai jäällä vai pommitetaan isäntähtiensä säteilyltä. Vastaus puolestaan voi vaikuttaa näiden planeettojen mahdollisuuteen hankkia elämää.
Näiden eksoplaneettojen sisätilat ovat meille salaperäisiä, koska aurinkokuntamme planeetat ovat yleensä joko pieniä ja kivisiä, kuten Maa ja Mars, tai suuria ja kaasumaisia, kuten Saturnus ja Jupiter. Mutta tähtitieteilijät ovat viime vuosina havainneet, että niin sanotut "supermaapallot" - jättiläismäiset kiviset planeetat - ja "mini-Neptunes" - pienemmät kaasuplaneetit kuin mitä aurinkokunnassamme on - ovat yleisempiä muualla galaksissamme.
Koska näitä planeettoja voidaan nähdä vain heikkoina välkyinä isäntähtiensä tulevassa valossa, paljon niistä on edelleen salaperäistä. Ovatko ne superdense vai superwide? Mistä heidän pinnat ovat? Onko heillä magneettikenttiä? Näyttää siltä, että vastaukset näihin kysymyksiin riippuvat suuresti siitä, kuinka ultrapaineistetun ytimen kivi ja rauta käyttäytyvät.
Nykyisen tieteen rajat
Tällä hetkellä ymmärryksemme eksoplaneetoista perustuu pääosin siihen, että suurennetaan tai vähennetään sitä, mitä tiedämme oman aurinkokuntamme planeetoista, sanoi Kanadan Toronton yliopiston planeettatutkija Diana Valencia, joka kutsui Yhdysvaltain maaliskuun kokoukseen. Fyysinen yhdistys (APS) mineraalifyysikoille näiden eksoottisten eksoplanetaaristen materiaalien tutkimiseksi.
Suurentamislähestymistavan ongelma on, että et voi oikein ymmärtää kuinka rauta käyttäytyy kymmenkertaisesti maan ytimen paineeseen kertomalla, hän sanoi. Näissä valtavissa paineissa kemikaalien ominaisuudet muuttuvat pohjimmiltaan.
"Odotamme löytävämme supermaapallon sisällä kiteitä, joita ei ole olemassa maapallossa tai muualla luonnossa," sanoi Los Angelesin Kalifornian yliopiston teoreettinen mineraalifyysikko Lars Stixrude, joka on tehnyt teoreettinen perustyö näiden äärimmäisten materiaalien ominaisuuksien laskemiseksi. "Nämä olisivat atomien ainutlaatuisia järjestelyjä, jotka ovat olemassa vain erittäin korkeassa paineessa."
Nämä erilaiset järjestelyt tapahtuvat, hän kertoi Live Science: lle, koska valtavat paineet muuttavat pohjimmiltaan sitä, kuinka atomit sitoutuvat toisiinsa. Maapallon pinnalla ja jopa syvällä planeettamme sisällä, atomit yhdistyvät käyttämällä vain elektronia ulkokuorissaan. Mutta maapallon superpaineissa atomitummaa lähempänä olevat elektronit osallistuvat ja muuttavat täysin materiaalien muotoja ja ominaisuuksia.
Ja nämä kemialliset ominaisuudet voivat vaikuttaa kokonaisten planeettojen käyttäytymiseen. Esimerkiksi tutkijat tietävät, että supermaapallot ansaitsevat paljon lämpöä. Mutta he eivät tiedä kuinka paljon - ja vastaukseen tähän kysymykseen on suuri vaikutus näiden planeettojen tulivuoreihin ja levytektonisiin. Maan sisäisissä paineissa kevyemmät elementit sekoittuvat raudan ytimeen vaikuttaen planeetan magneettikentään - mutta sitä ei ehkä tapahdu korkeammissa paineissa. Jopa supermaapallon fysikaalinen koko riippuu ytimiensä yhdisteiden kiderakenteesta.
Mutta ilman tällaisia planeettoja tutkiakseen lähellä omaa aurinkokuntamme, Valencia sanoi, tutkijoiden on käännyttävä fyysisiin peruslaskelmiin ja kokeisiin vastatakseen tällaisiin kysymyksiin. Mutta nämä laskelmat osoittavat usein avoimia vastauksia, Stixrude sanoi. Mitä kokeisiin?
"Ne paineet ja lämpötilat ovat suuremman osan nykyisen tekniikan ja kokeiden kyvystä", hän sanoi.
Supermaan rakentaminen tavalliselle maapallolle
Maapallolla äärimmäisimpiin painekokeisiin kuuluu pienten näytteiden murskaaminen kahden teollisuuden timantin teroitettujen pisteiden välillä.
Mutta niillä timanteilla on taipumus hajota kauan ennen kuin ne saavuttavat Maan superpaineet, Stixrude sanoi. Välttääkseen timanttien rajoituksia, fyysikät siirtyvät dynaamisiin puristuskokeisiin, kuten mineraalifyysikko Tom Duffy ja hänen tiiminsä Princetonin yliopistossa tekevät.
Nämä kokeet tuottavat enemmän supermaan kaltaisia paineita, mutta vain sekunnin murto-osissa.
"Ajatuksena on, että säteilytelet näytettä erittäin tehokkaalla laserilla ja lämmität nopeasti näytteen pinnan ja puhallet plasman", Duffy, joka toimi APS-istunnon puheenjohtajana, jossa Valencia puhui, kertoi Live Science: lle.
Yhtäkkiä kuumennetut näytteen bitit räjähtävät pinnalta, jolloin muodostuu paineaalto, joka liikkuu näytteen läpi.
"Se on todella kuin rakettialuksen tehoste", Duffy sanoi.
Mukana olevat näytteet ovat pieniä - melkein tasaisia ja pinta-alaltaan vain noin millimetrin neliön, hän sanoi. Ja koko juttu kestää nanosekuntien ajan. Kun paineaalto saavuttaa näytteen takaosan, koko asia hajosi. Mutta huolellisten havaintojen avulla noiden lyhyiden pulssien aikana Duffy ja hänen kollegansa ovat selvittäneet raudan ja muiden molekyylien tiheydet ja jopa kemialliset rakenteet aikaisemmin kuulumattomissa paineissa.
Vielä on monia vastaamattomia kysymyksiä, mutta alan tietämyksen tila on muuttumassa nopeasti, Valencia sanoi. Esimerkiksi ensimmäinen supermaapallon rakennetta käsittelevä artikkeli (jonka Valencia julkaisi helmikuussa 2007 Astrophysical Journal -tapahtumassa Harvardin jatko-opiskelijana) on vanhentunut, koska fyysikot ovat saaneet uutta tietoa oman planeettamme sisällä olevista kemikaaleista.
Duffy totesi, että näihin kysymyksiin vastaaminen on tärkeää, koska ne voivat kertoa, onko etäisillä muukalaismaailmilla ominaisuuksia, kuten levytektoniikka, virtaava magma ja magneettikentät - ja siksi, pystyvätkö ne tukemaan elämää.
