Hoewel wetenschappers aanzienlijke kennis hebben vergaard over de rotsplaneten in ons zonnestelsel, zoals de aarde en Mars, er is veel minder bekend over de ijskoude waterrijke planeten, Neptunus en Uranus.

In een nieuwe studie die onlangs is gepubliceerd in Natuurastronomie , een team van wetenschappers heeft de temperatuur en druk van het binnenste van Neptunus en Uranus in het laboratorium nagemaakt, en daardoor een beter begrip hebben gekregen van de chemie van de diepe waterlagen van deze planeten. Hun bevindingen geven ook aanwijzingen voor de samenstelling van oceanen op waterrijke exoplaneten buiten ons zonnestelsel.

Van Neptunus en Uranus wordt traditioneel gedacht dat ze verschillende afzonderlijke lagen hebben, bestaande uit een atmosfeer, ijs of vloeistof, een rotsachtige mantel en een metalen kern. Voor deze studie is het onderzoeksteam was vooral geïnteresseerd in de mogelijke reactie tussen water en gesteente in de diepe binnenlanden.

"Door deze studie we probeerden onze kennis van het diepe binnenste van ijsreuzen uit te breiden en te bepalen welke interacties tussen water en gesteente onder extreme omstandigheden zouden kunnen bestaan, " zegt hoofdauteur Taehyun Kim, van de Yonsei University in Zuid-Korea. "IJsreuzen en sommige exoplaneten hebben zeer diepe waterlagen, in tegenstelling tot aardse planeten. We stelden de mogelijkheid voor van een vermenging op atomaire schaal van twee van de bouwmaterialen voor de planeet (water en steen) in het binnenste van ijsreuzen."

Om de omstandigheden van de diepe waterlagen op Neptunus en Uranus in het laboratorium na te bootsen, het team dompelde eerst typische gesteentevormende mineralen onder, olivijn en ferroperiklaas, in water en het monster in een diamanten aambeeld tot zeer hoge druk samengeperst. Vervolgens, om de reactie tussen de mineralen en water te volgen, ze namen röntgenmetingen terwijl een laser het monster tot een hoge temperatuur verwarmde.

De resulterende chemische reactie leidde tot hoge concentraties magnesium in het water. Op basis van deze bevindingen, het team concludeerde dat oceanen op waterrijke planeten misschien niet dezelfde chemische eigenschappen hebben als de oceaan van de aarde en dat hoge druk die oceanen rijk zou maken aan magnesium.

"We ontdekten dat magnesium bij hoge druk veel beter oplosbaar wordt in water. magnesium kan net zo oplosbaar worden in de waterlagen van Uranus en Neptunus als zout in de oceaan van de aarde, ", zegt co-auteur Sang-Heon Dan Shim van de Arizona State University's School of Earth and Space Exploration.

Deze kenmerken kunnen ook helpen bij het oplossen van het mysterie waarom de atmosfeer van Uranus veel kouder is dan die van Neptunus, ook al zijn het beide waterrijke planeten. Als er veel meer magnesium in de waterlaag van Uranus onder de atmosfeer zit, het kan voorkomen dat warmte uit het interieur naar de atmosfeer ontsnapt.

"Dit magnesiumrijke water kan fungeren als een thermische deken voor het binnenste van de planeet, ' zegt Shim.

Buiten ons zonnestelsel, deze experimenten met hoge druk en hoge temperatuur kunnen wetenschappers ook helpen een beter begrip te krijgen van exoplaneten onder Neptunus, dat zijn planeten buiten ons zonnestelsel met een kleinere straal of een kleinere massa dan Neptunus.

Sub-Neptunus-planeten zijn het meest voorkomende type exoplaneten dat we tot nu toe kennen, en wetenschappers die deze planeten bestuderen, veronderstellen dat veel van hen een dikke waterrijke laag met een rotsachtig interieur kunnen hebben. Deze nieuwe studie suggereert dat de diepe oceanen van deze exoplaneten heel anders zouden zijn dan de oceaan van de aarde en mogelijk magnesiumrijk zouden zijn.

"Als een vroeg dynamisch proces een steen-waterreactie in deze exoplaneten mogelijk maakte, de bovenste waterlaag kan rijk zijn aan magnesium, mogelijk van invloed op de thermische geschiedenis van de planeet, ' zegt Shim.

Voor volgende stappen, het team hoopt hun experimenten met hoge druk/hoge temperatuur onder verschillende omstandigheden voort te zetten om meer te weten te komen over de samenstelling van planeten.

"Dit experiment gaf ons een plan voor verdere verkenning van de onbekende verschijnselen in ijsreuzen, " zegt Kim.