Astrofysische waarnemingen hebben aangetoond dat Neptunus-achtige waterrijke exoplaneten veel voorkomen in onze melkweg. Men denkt dat deze 'waterwerelden' bedekt zijn met een dikke laag water, honderden tot duizenden mijlen diep, boven een rotsachtige mantel.

Hoewel waterrijke exoplaneten veel voorkomen, hun samenstelling is heel anders dan die van de aarde, dus er zijn veel onbekenden in termen van de structuur van deze planeten, samenstelling en geochemische cycli.

Om meer te weten te komen over deze planeten, een internationaal team van onderzoekers, geleid door de Arizona State University, heeft een van de eerste mineralogielaboratoriumstudies opgeleverd voor waterrijke exoplaneten. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het bestuderen van de chemische reacties en processen is een essentiële stap in de richting van het ontwikkelen van een begrip van deze veelvoorkomende planeettypes, " zei co-auteur Dan Shim, van ASU's School of Earth and Space Exploration.

Het algemene wetenschappelijke vermoeden is dat water en gesteente afzonderlijke lagen vormen in het binnenste van waterwerelden. Omdat water lichter is, onder de waterlaag in waterrijke planeten, er moet een rotslaag zijn. Echter, de extreme druk en temperatuur op de grens tussen water en rotslagen zou het gedrag van deze materialen fundamenteel kunnen veranderen.

Om deze hoge druk en temperatuur in het lab te simuleren, hoofdauteur en onderzoekswetenschapper Carole Nisr voerde experimenten uit in Shim's Lab for Earth and Planetary Materials bij ASU met behulp van hogedruk-diamant-aambeeldcellen.

Voor hun experiment het team dompelde silica onder in water, het monster tussen diamanten samengeperst tot een zeer hoge druk, verwarmde het monster vervolgens met laserstralen tot meer dan een paar duizend graden Fahrenheit.

Het team voerde ook laserverwarming uit in het Argonne National Laboratory in Illinois. Om de reactie tussen silica en water te volgen, Röntgenmetingen werden uitgevoerd terwijl de laser het monster onder hoge druk verwarmde.

Wat ze vonden was een onverwachte nieuwe vaste fase met silicium, waterstof en zuurstof samen.

"Oorspronkelijk, men dacht dat water- en gesteentelagen in waterrijke planeten goed gescheiden waren, " zei Nisr. "Maar we ontdekten door onze experimenten een voorheen onbekende reactie tussen water en silica en stabiliteit van een vaste fase ruwweg in een tussenliggende samenstelling. Het onderscheid tussen water en gesteente bleek bij hoge druk en hoge temperatuur verrassend 'vaag'."

De onderzoekers hopen dat deze bevindingen onze kennis over de structuur en samenstelling van waterrijke planeten en hun geochemische cycli zullen vergroten.

"Onze studie heeft belangrijke implicaties en roept nieuwe vragen op over de chemische samenstelling en structuur van het interieur van waterrijke exoplaneten, Nisr zei. "De geochemische cyclus voor waterrijke planeten zou heel anders kunnen zijn dan die van de rotsachtige planeten, zoals de aarde."