Hluboko v srdci mimozemských světů se krystaly tvoří pod tlaky až 40 miliónkrát intenzivnějšími než atmosférický tlak na Zemi a až 10krát intenzivnější než tlak v jádru naší planety. Porozumět jim lépe by nám mohlo pomoci hledat život jinde v naší galaxii.
V tuto chvíli vědci o těchto tajemných krystalech nevědí téměř nic. Neví, jak a kdy se tvoří, jak vypadají nebo jak se chovají. Odpovědi na tyto otázky však mohou mít obrovský dopad na povrchy těchto světů - ať už jsou pokryty buď proudícím magmatem nebo ledem, nebo jsou bombardovány zářením z jejich hostitelských hvězd. Odpověď by zase mohla ovlivnit možnost, že tyto planety budou mít život.
Interiéry těchto exoplanet jsou pro nás záhadné, protože planety v naší sluneční soustavě bývají buď malé a skalnaté, jako je Země a Mars, nebo velké a plynné, jako Saturn a Jupiter. Ale v posledních letech astronomové zjistili, že takzvané „super-Země“ - obří skalnaté planety - a „mini-Neptunes“ - menší plynové planety, než jaké existují v naší sluneční soustavě - jsou ve zbytku naší galaxie běžnější.
Protože tyto planety lze ve světle přicházejících z jejich hostitelských hvězd vnímat jen jako slabé blikání, zůstává mnoho o nich tajemných. Jsou superdense nebo superwide? Z čeho jsou vyrobeny jejich povrchy? Mají magnetická pole? Odpovědi na tyto otázky, jak se ukazuje, závisí do velké míry na tom, jak se chová hornina a železo v jejich ultranízkaných jádrech.
Limity současné vědy
V současné době je naše chápání exoplanet založeno především na rozšiřování nebo snižování toho, co víme o planetách v naší vlastní sluneční soustavě, řekla Diana Valencia, planetární vědkyně na University of Toronto v Kanadě, která zavolala na březnovém zasedání Američanů Fyzická společnost (APS) pro minerální fyziky, aby prozkoumala tyto exotické exoplanetární materiály.
Problém s rozšiřováním přístupu je, že opravdu nemůžete pochopit, jak se bude železo chovat při desetinásobku tlaku jádra Země pouhým vynásobením, řekla. Při těchto obrovských tlacích se vlastnosti chemických látek zásadně mění.
"Očekávali bychom, že najdeme krystaly uvnitř super-Země, které neexistují na Zemi nebo kdekoli jinde v přírodě," řekl Lars Stixrude, teoretický minerální fyzik na kalifornské univerzitě v Los Angeles, který udělal základní teoretická práce pro výpočet vlastností těchto extrémních materiálů. "To by byla jedinečná uspořádání atomů, které existují pouze při velmi vysokém tlaku."
K těmto různým uspořádáním dochází, řekl pro Live Science, protože obrovské tlaky zásadně mění, jak se atomy spojují. Na zemském povrchu a dokonce hluboko uvnitř naší planety se atomy spojují pomocí elektronů ve svých vnějších obalech. Ale při super-zemských tlacích se zapojují elektrony blíže atomovému jádru a zcela mění tvar a vlastnosti materiálů.
A tyto chemické vlastnosti by mohly ovlivnit chování celých planet. Vědci například vědí, že super-Země zachycují velké množství tepla. Ale nevědí, kolik - a odpověď na tuto otázku má hlavní důsledky pro sopky a tektoniku talířů. Při vnitřních tlacích Země se lehčí prvky mísí se železným jádrem, což ovlivňuje magnetické pole planety - ale to se nemusí stát při vyšších tlacích. I fyzická velikost super-Země závisí na krystalové struktuře sloučenin v jejich jádrech.
Ale bez planet tohoto druhu, které by se podrobně zabývaly naší sluneční soustavou, řekl Valencia, vědci se musí obrátit na základní fyzikální výpočty a experimenty, aby odpověděli na tyto druhy otázek. Ale tyto výpočty často objevují otevřené odpovědi, řekl Stixrude. Pokud jde o experimenty?
"Tyto tlaky a teploty jsou nad možnosti většiny technologií a experimentů, které máme dnes," řekl.
Budování super-Země na pravidelné Zemi
Na Zemi patří mezi nejextrémnější tlakové experimenty rozdrcení drobných vzorků mezi zaostřenými body dvou průmyslových diamantů.
Ale tyto diamanty mají tendenci se rozpadat dlouho předtím, než dosáhnou tlaku na Zemi, řekl Stixrude. Aby se obeznámili s omezeními diamantů, fyzici se obracejí na experimenty s dynamickou kompresí, jaké provádí minerální fyzik Tom Duffy a jeho tým na Princetonské univerzitě.
Tyto experimenty produkují více super-Earth-like tlaky, ale jen pro zlomky sekundy.
„Myšlenka je, že ozařujete vzorek velmi výkonným laserem, a rychle zahřejete povrch tohoto vzorku a vyhodíte plazmu,“ řekla společnost Live Science Duffy, která předsedala zasedání APS, kde mluvil Valencia.
Bity vzorku, náhle zahřáté, vystřelily z povrchu a vytvořily tlakovou vlnu, která se pohybuje vzorkem.
„Je to opravdu jako efekt raketové lodi,“ řekla Duffy.
Dotčené vzorky jsou malé - téměř ploché a jen asi milimetr čtvereční v povrchové oblasti, řekl. A celá ta věc trvá nanosekundy. Když tlaková vlna dosáhne zadní části vzorku, celá věc se roztříští. Ale díky pečlivému pozorování během těchto krátkých pulzů zjistil Duffy a jeho kolegové hustoty a dokonce i chemické struktury železa a dalších molekul pod dosud neslýchanými tlaky.
Stále existuje mnoho nezodpovězených otázek, ale stav znalostí v této oblasti se rychle mění, uvedl Valencia. Například první dokument o struktuře super-Země (který Valencia publikoval v únoru 2007 v Astrophysical Journal jako postgraduální student na Harvardu) je zastaralý, protože fyzikové získali nové informace o chemických látkách uvnitř naší vlastní planety.
Odpověď na tyto otázky je důležitá, řekla Duffy, protože nám mohou říct, zda vzdálené cizí světy mají vlastnosti, jako je tektonika talířů, tekoucí magma a magnetická pole - a proto, zda mohou podporovat život.
