Elk schoolkind weet dat de aarde een magnetisch veld heeft - dat zorgt ervoor dat kompassen noord-zuid op één lijn liggen en ons door de oceanen laat navigeren. Het beschermt ook de atmosfeer, en dus het leven, van de krachtige wind van de zon.

Maar hoe zit het met andere aardachtige planeten in de melkweg? Hebben ze ook magnetische velden om opkomend leven te beschermen?

Een nieuwe analyse kijkt naar één type exoplaneet - superaarde tot vijf keer de grootte van onze eigen planeet - en concludeert dat ze waarschijnlijk een magnetisch veld hebben, maar één die op een totaal nieuwe manier wordt gegenereerd:door de magma-oceanen van de planeten.

De verrassende ontdekking dat langzaam karnend gesmolten gesteente aan of onder het oppervlak een sterk magnetisch veld kan genereren, suggereert ook dat in de vroege jaren van de aarde, toen het grotendeels een klomp gesmolten steen was, het had ook een magma-gegenereerd magnetisch veld. Dit was in aanvulling op het huidige veld, die wordt gegenereerd in de buitenkern van vloeibaar ijzer.

"Dit is een nieuw regime voor het genereren van planetaire magnetische velden, " zei Burkhard Militzer, een UC Berkeley hoogleraar aard- en planetaire wetenschap. "Ons magnetisch veld op aarde wordt gegenereerd in de vloeibare buitenste ijzeren kern. Op Jupiter, het ontstaat door de convectie van vloeibare metallische waterstof. Op Uranus en Neptunus, het wordt verondersteld te worden gegenereerd in de ijslagen. Nu hebben we gesmolten gesteente toegevoegd aan deze gevarieerde lijst van veldgenererende materialen."

Het verband tussen het binnenste van een planeet en zijn magnetisch veld biedt astronomen ook een manier om meer te weten te komen over de samenstelling en leeftijden van exoplaneten die te ver weg zijn om te bezoeken.

"Dit is ver in de toekomst, maar als iemand een exoplaneet observeert en hij vindt een magnetisch veld, dat kan een aanwijzing zijn dat er een magma-oceaan is, zelfs als ze dit niet direct kunnen zien, ' zei Militzer.

De conclusies hebben ook implicaties voor de kansen op leven op andere planeten. Terwijl magma-oceanen vanaf de top afkoelen, een voor het leven gastvrije oppervlakte zou kunnen verschijnen terwijl de gesmolten mantel blijft karnen.

"Een magnetisch veld is nuttig om een ​​planetaire atmosfeer te beschermen tegen wegwaaien door de sterrenwinden, " zei voormalig UC Berkeley postdoctoraal fellow François Soubiran, nu aan de École Normale Supérieure in Lyon, Frankrijk. "De meeste superaardes die we nu detecteren, bevinden zich heel dicht bij hun gastheersterren en worden blootgesteld aan zeer sterke stellaire winden. de mogelijkheid voor een magnetisch veld om te bestaan ​​is zeker een sleutelcomponent in de evolutie van de planeet en haar bewoonbaarheid."

Soubiran en Militzer publiceerden hun bevindingen op 24 september in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Interne dynamo van de aarde

Het magnetische veld van de aarde wordt tegenwoordig gegenereerd in de buitenste kern van gesmolten ijzer, waar stijgende en dalende massa's elektrisch geleidend vloeibaar ijzer, gecombineerd met de draaiing van de planeet, een dynamo en een aanhoudend magnetisch veld creëren.

Maar de rotsachtige aarde was gesmolten na zijn eerste vorming 4,5 miljard jaar geleden, en sommige lagen kunnen gesmolten en convectie zijn gebleven - zoals kokend water, alleen langzamer - voor miljoenen jaren na zijn geboorte. Zou de langzaam convecterende magma-oceaan een magnetisch veld hebben gegenereerd dat lijkt op het veld dat tegenwoordig in de ijzeren kern wordt gegenereerd?

Dezelfde vraag ontstond nadat er superaarde was ontdekt rond andere sterren. Superaardes zijn zo massief dat hun interieur, de mantel, moet vloeibaar blijven en convecteren voor een paar miljard jaar na de vorming.

In beide gevallen, het langzaam kokende magma op een draaiende planeet kan alleen een sterk magnetisch veld opwekken als het vloeibare gesteente elektriciteit geleidt.

Niemand wist of dit waar was.

Experimenten met silicaten - een term die verwijst naar de duizenden op silicium gebaseerde mineralen die het rotsachtige binnenste van de aarde vormen - bij de hoge temperaturen en drukken in een superaarde zijn moeilijk. Zelfs het vaststellen of een gesteente vast blijft of vloeibaar wordt, is niet eenvoudig onder de omstandigheden die kenmerkend zijn voor planetaire interieurs:temperaturen van 10, 000 Celsius en een druk die 10 miljoen keer groter is dan die van de lucht om ons heen.

"Bij standaard temperaturen en drukken, silicaten zijn volledig isolerend; de elektronen zijn ofwel stevig aan de kernen gebonden of ze hebben moleculaire bindingen en kunnen niet vrij bewegen en macroscopische elektrische stromen creëren, "Zei Soubiran. "Zelfs als de hoge interne druk helpt om de barrières voor de elektronen om te bewegen te verminderen, het was niet per se duidelijk dat silicaten in superaarde zouden geleiden."

Maar Soubiran en Militzer hadden toegang tot computermodellen op atomaire schaal van mineralen waarmee ze de geleidbaarheid konden berekenen van, in dit geval, kwarts (siliciumdioxide), magnesiumoxide (magnesiumoxide) en een silicium-magnesiumoxide (post-perovskiet), die allemaal voorkomen in gesteenten op aarde, de maan en waarschijnlijk alle planeten van ons zonnestelsel.

Na het uitvoeren van lange berekeningen voor elk van de drie, ze ontdekten dat deze silicaten matig geleidend worden wanneer ze bij hoge temperaturen en drukken van vast naar vloeibaar veranderen. Toen ze de geleidbaarheid in modellen van het binnenste van de aarde stopten, ze ontdekten dat de rotsen voldoende geleidend waren om een ​​dynamo en dus een magnetisch veld in stand te houden.

"Onze berekeningen toonden aan dat de ongeorganiseerde structuur van de vloeistof de elektronen hielp geleiden, " zei Soubiran. Vloeibare silicaten om 10 uur, 000 Celsius en 10 miljoen atmosfeer druk hebben slechts ongeveer een honderdste van de geleidbaarheid van vloeibaar ijzer, bijvoorbeeld.

Soubiran merkte op dat planeten die draaien met een periode van twee dagen of meer een aardachtig magnetisch veld zouden genereren:een dipoolveld met een duidelijk noorden en zuiden. Langzamere rotatie, echter, zou een meer ongeorganiseerd veld kunnen creëren dat van ver moeilijker te detecteren zou zijn.

Bruce Buffett, een UC Berkeley-expert op het gebied van de dynamiek van het binnenste van de aarde die niet betrokken was bij het onderzoek, zei dat planeten alleen magnetische velden kunnen genereren als ze de juiste balans hebben tussen elektrische geleidbaarheid en vloeistofsnelheid om de feedback te creëren die nodig is om een ​​magnetisch veld in stand te houden.

"De verwachting van veel geofysici was dat, tenminste onder aardse omstandigheden, de geleidbaarheid van vloeibare silicaten zou meer in de categorie vallen van, goed, als je echt had, echt grote vloeistofbewegingen om een ​​lage geleidbaarheid te compenseren, misschien heb je een magnetisch veld, " zei Buffett, een professor in de aarde- en planetaire wetenschap. "Dit is de eerste gedetailleerde berekening voor hogere temperatuur- en drukomstandigheden, en het constateert dat de geleidbaarheid iets hoger lijkt te zijn, dus de vloeiende bewegingen die je nodig hebt om dit allemaal te laten werken, zijn misschien een beetje minder extreem."