Buiten ons zonnestelsel, alleen zichtbaar als de kleinste stip in de ruimte met zelfs de krachtigste telescopen, andere werelden bestaan. Veel van deze werelden, astronomen hebben ontdekt, kan veel groter zijn dan de aarde en volledig bedekt met water - in feite oceaanplaneten zonder uitstekende landmassa's. Wat voor leven zou zich op zo'n wereld kunnen ontwikkelen? Zou een habitat als deze zelfs het leven kunnen ondersteunen?

Een team van onderzoekers onder leiding van de Arizona State University (ASU) ging onlangs op zoek naar die vragen. En aangezien ze niet naar verre exoplaneten konden reizen om monsters te nemen, ze besloten om de omstandigheden van die waterwerelden in het laboratorium na te bootsen. In dit geval, dat laboratorium was de Advanced Photon Source (APS), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Argonne National Laboratory van de DOE.

Wat ze vonden—onlangs gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences —was een nieuwe overgangsfase tussen silica en water, wat aangeeft dat de grens tussen water en gesteente op deze exoplaneten niet zo stevig is als hier op aarde. Deze cruciale ontdekking zou de manier kunnen veranderen waarop astronomen en astrofysici deze exoplaneten hebben gemodelleerd, en informeren over de manier waarop we denken over het leven dat zich op hen ontwikkelt.

Dan Shim, universitair hoofddocent aan de ASU, leidde dit nieuwe onderzoek. Shim leidt ASU's Lab for Earth and Planetary Materials en is al lang gefascineerd door de geologische en ecologische samenstelling van deze verre werelden. Die compositie, hij zei, lijkt in niets op een planeet in ons zonnestelsel - deze planeten hebben misschien meer dan 50% water of ijs bovenop hun rotslagen, en die gesteentelagen zouden bij zeer hoge temperaturen en onder verbrijzelingsdruk moeten bestaan.

"Het bepalen van de geologie van exoplaneten is moeilijk, omdat we geen telescopen kunnen gebruiken of rovers naar hun oppervlak kunnen sturen, "Zei Shim. "Dus we proberen de geologie in het lab te simuleren."

Hoe doet men dat? Eerst, je hebt het juiste gereedschap nodig. Voor dit experiment is Shim en zijn team brachten hun monsters naar twee APS-bundellijnen:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) op bundellijn 13-ID-D, beheerd door de Universiteit van Chicago, en High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) bij bundellijn 16-ID-B, geëxploiteerd door Argonne's X-ray Science Division.

De monsters werden samengeperst in diamanten aambeeldcellen, in wezen twee diamanten van edelsteenkwaliteit met kleine platte uiteinden. Plaats er een monster tussen en je kunt de diamanten samenknijpen, het verhogen van de druk.

"We kunnen de druk verhogen tot meerdere miljoenen atmosferen, " zei Yue Meng, een fysicus in Argonne's X-ray Science Division en een co-auteur van het papier. Meng was een van de belangrijkste ontwerpers van de technieken die bij HPCAT werden gebruikt, gespecialiseerd in hogedruk, experimenten bij hoge temperaturen.

"Het APS is een van de weinige plekken ter wereld waar je dit soort baanbrekend onderzoek kunt doen, " zei ze. "De beamline-wetenschappers, technici en ingenieurs maken dit onderzoek mogelijk."

De druk van exoplaneten, Shim zei, kan worden berekend, ook al zijn de gegevens die we over deze planeten hebben beperkt. Astronomen kunnen de massa en dichtheid meten, en als de grootte en de massa van de planeet bekend zijn, de juiste druk kan worden bepaald.

Zodra het monster onder druk staat, infrarood lasers - die kunnen worden aangepast tot kleiner dan de breedte van een menselijke bloedcel - worden gebruikt om het op te warmen. "We kunnen het monster tot duizenden graden Fahrenheit brengen, " zei Vitali Prakapenka, een beamline-wetenschapper bij GSECARS, een onderzoeksprofessor aan de Universiteit van Chicago en een co-auteur van het papier. "We hebben twee krachtige lasers die van beide kanten op het monster schijnen, nauwkeurig uitgelijnd met een ultraheldere APS-röntgensonde en temperatuurmetingen langs de optische paden met een nauwkeurigheid van minder dan een micron."

De temperatuur van exoplaneten is moeilijker te meten, omdat er zoveel factoren zijn die het bepalen:de hoeveelheid warmte in de planeet, de leeftijd van de planeet, en de hoeveelheid radioactieve isotopen die in de structuur vervallen, meer warmte afgeven. Het team van Shim berekende een reeks temperaturen om vanaf te werken.

Zodra het monster onder druk is gezet en is opgewarmd, De ultraheldere röntgenstralen van de APS (die door de diamanten en in het monster zelf kunnen kijken) kunnen wetenschappers in staat stellen snapshots te maken van veranderingen in de structuur op atomaire schaal tijdens de chemische reacties terwijl ze plaatsvinden. In dit geval, Shim en zijn team hebben een kleine hoeveelheid silica ondergedompeld in water, verhoogde de druk en temperatuur, en bewaakte hoe de materialen zouden reageren.

Wat ze ontdekten is dat bij een hoge temperatuur en druk van ongeveer 30 gigapascal (ongeveer 300, 000 keer de standaard atmosferische druk op aarde), het water en de rots beginnen te versmelten.

"Als je een planeet zou bouwen met water en steen, je zou aannemen dat het water een laag boven de rots vormt, " zei hij. "Wat we hebben gevonden is dat dat niet per se waar is. Met voldoende warmte en druk, de grens tussen rots en water wordt wazig."

Dit is een nieuw idee dat moet worden opgenomen in modellen van exoplaneten, zei Prakapenka.

"Het belangrijkste punt is dat het de mensen die de structuur van deze planeten modelleren vertelt dat de samenstelling ingewikkelder is dan we dachten, "Zei Prakapenka. "Voordat we geloofden dat er een scheiding was tussen rots en water, maar op basis van deze studies, er is geen scherpe grens."

Wetenschappers hebben eerder soortgelijke experimenten uitgevoerd, Shim zei, maar die waren gebaseerd op een aardachtige omgeving met kleinere hoeveelheden water. Het observeren van deze nieuwe faseovergang geeft modelbouwers een beter idee over de feitelijke geologische samenstelling van waterrijke exoplaneten, en ook inzichten in wat voor soort leven die exoplaneten thuis zouden kunnen noemen.

"Het is een startpunt om te bouwen aan de manier waarop chemie op deze planeten werkt, Shim zei. "Hoe water interageert met steen is belangrijk voor het leven op aarde, en daarom, het is ook belangrijk om het soort leven te begrijpen dat op sommige van deze werelden kan zijn."

Shim erkent dat dit onderzoek niet het eerste is waar je aan denkt bij een lichtbron als de APS. Maar het is precies die diversiteit die volgens hem een ​​voordeel is van grootschalige gebruiksfaciliteiten.

"Mensen denken nauwelijks aan astrofysica als ze het hebben over een röntgenfaciliteit, " zei hij. "Maar we kunnen een faciliteit als de APS gebruiken om een ​​object te begrijpen dat te ver weg is om te zien."