De natuurkunde en scheikunde die diep in onze planeet plaatsvinden, zijn fundamenteel voor het bestaan ​​van het leven zoals wij dat kennen. Maar welke krachten zijn er aan het werk in het binnenste van verre werelden, en hoe beïnvloeden deze omstandigheden hun potentieel voor bewoonbaarheid?

Nieuw werk onder leiding van Carnegie's Earth and Planets Laboratory maakt gebruik van laboratoriumgebaseerde mimicry om een ​​nieuwe kristalstructuur te onthullen die grote implicaties heeft voor ons begrip van het interieur van grote, rotsachtige exoplaneten. Hun bevindingen zijn gepubliceerd door Proceedings of the National Academy of Sciences .

"De innerlijke dynamiek van onze planeet is cruciaal voor het behoud van een oppervlakteomgeving waar leven kan gedijen - het aandrijven van de geodynamo die ons magnetisch veld creëert en de samenstelling van onze atmosfeer vormgeeft", legt Rajkrishna Dutta van Carnegie, de hoofdauteur, uit. "De omstandigheden die worden aangetroffen in de diepten van grote, rotsachtige exoplaneten zoals superaardes, zouden nog extremer zijn."

Silicaatmineralen vormen het grootste deel van de aardmantel en worden ook beschouwd als een belangrijk onderdeel van het binnenste van andere rotsachtige planeten, op basis van berekeningen van hun dichtheden. Op aarde bepalen de structurele veranderingen die worden veroorzaakt in silicaten onder hoge druk- en temperatuuromstandigheden de belangrijkste grenzen in het diepe binnenste van de aarde, zoals die tussen de bovenste en onderste mantel.

Het onderzoeksteam - waaronder Carnegie's Sally June Tracy, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo en Jing Yang, evenals Pamela Burnley van de University of Nevada Las Vegas, Dean Smith en Yue Meng van Argonne National Laboratory, Stella Chariton en Vitali Prakapenka van de Universiteit van Chicago en Thomas Duffy van de Universiteit van Princeton - waren geïnteresseerd in het onderzoeken van de opkomst en het gedrag van nieuwe vormen van silicaat onder omstandigheden die lijken op die in verre werelden.

"Al tientallen jaren zijn Carnegie-onderzoekers leiders in het herscheppen van de omstandigheden van planetaire interieurs door kleine materiaalmonsters onder immense druk en hoge temperaturen te plaatsen", zei Duffy.

Maar er zijn beperkingen aan het vermogen van wetenschappers om de omstandigheden van exoplanetaire interieurs in het laboratorium na te bootsen. Theoretische modellering heeft uitgewezen dat nieuwe fasen van silicaat ontstaan ​​onder de druk die verwacht wordt te vinden in de mantels van rotsachtige exoplaneten die minstens vier keer zo zwaar zijn als de aarde. Maar deze overgang is nog niet waargenomen.

Germanium is echter een goede vervanging voor silicium. De twee elementen vormen vergelijkbare kristallijne structuren, maar germanium induceert overgangen tussen chemische fasen bij lagere temperaturen en drukken, die beter beheersbaar zijn om te creëren in laboratoriumexperimenten.

Werken met magnesiumgermanaat, Mg₂ GeO₄ , analoog aan een van de meest voorkomende silicaatmineralen in de mantel, kon het team informatie verzamelen over de potentiële mineralogie van superaardes en andere grote, rotsachtige exoplaneten.

Onder ongeveer 2 miljoen keer de normale atmosferische druk ontstond een nieuwe fase met een duidelijke kristallijne structuur waarbij één germanium is gebonden aan acht zuurstofatomen.

"Het meest interessante voor mij is dat magnesium en germanium, twee heel verschillende elementen, elkaar in de structuur vervangen," zei Cohen.

Onder omgevingsomstandigheden zijn de meeste silicaten en germanaten georganiseerd in wat een tetraëdrische structuur wordt genoemd, één centraal silicium of germanium gebonden met vier andere atomen. Onder extreme omstandigheden kan dit echter veranderen.

"De ontdekking dat silicaten onder extreme druk een structuur konden aannemen die rond zes bindingen was georiënteerd in plaats van vier, was een totale game-changer in termen van het begrip van wetenschappers van diepe aarddynamiek," legde Tracy uit. "De ontdekking van een achtvoudige oriëntatie zou vergelijkbare revolutionaire implicaties kunnen hebben voor hoe we denken over de dynamiek van het interieur van exoplaneten."