Vooruitgang in astronomische waarnemingen heeft geleid tot de ontdekking van een buitengewoon aantal extrasolaire planeten, waarvan sommige worden verondersteld een rotsachtige samenstelling te hebben die lijkt op de aarde. Meer informatie over hun interieurstructuur zou belangrijke aanwijzingen kunnen geven over hun potentiële bewoonbaarheid.

Onder leiding van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), een team van onderzoekers probeert enkele van deze geheimen te ontrafelen door de eigenschappen van ijzeroxide - een van de bestanddelen van de aardmantel - te begrijpen bij de extreme drukken en temperaturen die waarschijnlijk worden aangetroffen in het binnenste van deze grote rotsachtige extrasolaire planeten. De resultaten van hun experimenten zijn vandaag gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen .

"Vanwege de beperkte hoeveelheid beschikbare gegevens, de meeste modellen van inwendige structuur voor rotsachtige exoplaneten gaan uit van een opgeschaalde versie van de aarde, bestaande uit een ijzeren kern, omgeven door een mantel die wordt gedomineerd door silicaten en oxiden. Echter, deze benadering negeert grotendeels de verschillende eigenschappen die de samenstellende materialen kunnen hebben bij drukken die hoger zijn dan die in de aarde bestaan, " zei Federica Coppari, LLNL-fysicus en hoofdauteur van het onderzoek. "Met het steeds toenemende aantal bevestigde exoplaneten, inclusief die waarvan wordt aangenomen dat ze rotsachtig van aard zijn, het is van cruciaal belang om een ​​beter begrip te krijgen van hoe hun planetaire bouwstenen zich diep in dergelijke lichamen gedragen."

Met behulp van gigantische lasers in de Omega Laser Facility van de Universiteit van Rochester, de onderzoekers persten een ijzeroxidemonster tot bijna 7 megabar (of Mbar - 7 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde), omstandigheden die worden verwacht in het binnenste van rotsachtige exoplaneten die ongeveer vijf keer zo zwaar zijn als de aarde. Ze schoten extra lasers op een kleine metalen folie om een ​​korte puls van röntgenstralen te creëren, helder genoeg om ze in staat te stellen een röntgendiffractie-momentopname van het gecomprimeerde monster vast te leggen.

"Precieze timing is van cruciaal belang omdat de piekdruk niet langer dan 1 miljardste van een seconde wordt gehandhaafd, " zei Coppari. Omdat röntgendiffractie bij uitstek geschikt is om de afstand tussen atomen te meten en hoe ze zijn gerangschikt in een kristallijn rooster, het team ontdekte dat wanneer ijzeroxide wordt gecomprimeerd tot een druk van meer dan 3 Mbar - de druk van de binnenkern van de aarde - het transformeert naar een andere fase, waar de atomen dichter opeengepakt zijn.

"Het vinden van de hogedruk-ijzeroxidestructuur bij omstandigheden die groter zijn dan die in de aarde bestaan, is erg interessant omdat deze vorm naar verwachting een veel lagere viscositeit zal hebben dan de kristalstructuur die wordt gevonden bij omgevingsomstandigheden en in de aardmantel, ' zei Coppari.

Door de nieuwe gegevens te combineren met eerdere metingen aan magnesiumoxide, een ander belangrijk bestanddeel van rotsplaneten, het team bouwde een model om te begrijpen hoe de faseovergang in ijzeroxide hun vermogen om te mengen zou kunnen beïnvloeden. Ze ontdekten dat de mantel van grote terrestrische exoplaneten heel anders kan zijn dan gewoonlijk wordt gedacht, waarschijnlijk met een zeer verschillende viscositeit, elektrische geleidbaarheid en reologische eigenschappen.

"De meer extreme omstandigheden die worden verwacht in grote rotsachtige superaardes, bevorderen de opkomst van een nieuwe en complexe mineralogie waarbij de samenstellende materialen zich vermengen (of ontmengen), vloeien en vervormen op een heel andere manier dan in de aardmantel, Coppari zei. "Vermenging speelt niet alleen een rol bij de vorming en evolutie van de planeet, maar heeft ook een dramatische invloed op de reologie en geleidbaarheid, die uiteindelijk verband houden met de bewoonbaarheid."

Vooruit kijken, dit onderzoek zal naar verwachting verdere experimentele en theoretische studies stimuleren die gericht zijn op het begrijpen van de mengeigenschappen van de samenstellende materialen bij ongekende druk- en temperatuuromstandigheden.

"Er is nog zoveel te leren over materialen onder extreme omstandigheden en zelfs meer over de vorming en evolutie van planeten, "Zei ze. "Het is verbijsterend om te denken dat onze laboratoriumexperimenten in de binnenste structuur van planeten zo ver weg kunnen kijken met een ongekende resolutie en kunnen bijdragen aan een dieper begrip van het universum."