Βαθιά στην καρδιά ξένων κόσμων, οι κρύσταλλοι σχηματίζονται υπό πιέσεις έως και 40 εκατομμύρια φορές πιο έντονες από την ατμοσφαιρική πίεση στη Γη και έως και 10 φορές πιο έντονες από την πίεση στον πυρήνα του πλανήτη μας. Η κατανόησή τους καλύτερα θα μπορούσε να μας βοηθήσει να ψάξουμε για ζωή σε άλλο σημείο του γαλαξία μας.
Αυτή τη στιγμή, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν σχεδόν τίποτα για αυτούς τους μυστηριώδεις κρυστάλλους. Δεν ξέρουν πώς και πότε σχηματίζουν, πώς μοιάζουν ή πώς συμπεριφέρονται. Αλλά οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα θα μπορούσαν να έχουν τεράστιες επιπτώσεις στις επιφάνειες αυτών των κόσμων - είτε καλύπτονται είτε με ρεύμα μάγματος είτε με πάγο, είτε βομβαρδίζονται με ακτινοβολία από τα αστέρια τους. Η απάντηση, με τη σειρά του, θα μπορούσε να επηρεάσει τη δυνατότητα αυτών των πλανητών να φιλοξενήσουν ζωή.
Οι εσωτερικοί χώροι αυτών των εξωπλανητών είναι μυστηριώδεις για εμάς επειδή, στο ηλιακό μας σύστημα, οι πλανήτες τείνουν να είναι είτε μικροί και βραχώδεις, όπως η Γη και ο Άρης, είτε μεγάλοι και αέριοι, όπως ο Κρόνος και ο Δίας. Αλλά τα τελευταία χρόνια, οι αστρονόμοι έχουν διαπιστώσει ότι οι λεγόμενοι «σούπερ-γη» - γιγάντιοι βραχώδεις πλανήτες - και οι μικροί Neptunes - μικρότεροι πλανήτες αερίου από ό, τι υπάρχουν στο ηλιακό μας σύστημα - είναι πιο συνηθισμένοι στον υπόλοιπο γαλαξία μας.
Επειδή αυτοί οι πλανήτες μπορούν να φανούν μόνο ως ελαφρά τρεμόπαιγμα στο φως που προέρχεται από τα αστέρια τους, πολλά από αυτά παραμένουν μυστηριώδη. Είναι superdense ή superwide; Από ποιες επιφάνειες κατασκευάζονται; Έχουν μαγνητικά πεδία; Οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, όπως φαίνεται, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το πώς συμπεριφέρονται ο βράχος και ο σίδηρος στους υπερηχημένους πυρήνες τους.
Τα όρια της σημερινής επιστήμης
Αυτή τη στιγμή, η κατανόησή μας για τους εξωπλανήτες βασίζεται κυρίως στην κλιμάκωση ή την κάθαρση όσων γνωρίζουμε για τους πλανήτες στο δικό μας ηλιακό σύστημα, δήλωσε η Diana Valencia, πλανητική επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά, που κάλεσε στη συνάντηση Μαρτίου Φυσική Εταιρεία (APS) για τους φυσικούς ορυκτών για να εξερευνήσουν αυτά τα εξωτικά εξωπλανητικά υλικά.
Το πρόβλημα με την προσέγγιση κλιμάκωσης είναι ότι δεν μπορείτε πραγματικά να καταλάβετε πώς ο σίδηρος θα συμπεριφερθεί σε 10 φορές την πίεση του πυρήνα της Γης απλά πολλαπλασιάζοντας, είπε. Σε αυτές τις τεράστιες πιέσεις, οι ιδιότητες των χημικών ουσιών αλλάζουν ριζικά.
"Θα περίμενε κανείς να βρούμε κρυστάλλους μέσα σε σούπερ-γη που δεν υπάρχουν στη Γη ή οπουδήποτε αλλού στη φύση", δήλωσε ο Lars Stixrude, ένας θεωρητικός φυσικός ορυκτών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες, ο οποίος έχει κάνει βασική θεωρητική εργασία για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων αυτών των ακραίων υλικών. "Αυτές θα ήταν μοναδικές ρυθμίσεις των ατόμων που υπάρχουν μόνο με πολύ μεγάλη πίεση".
Αυτές οι διαφορετικές ρυθμίσεις συμβαίνουν, είπε στη Live Science, επειδή οι τεράστιες πιέσεις αλλάζουν ριζικά τον τρόπο που δεσμεύουν τα άτομα. Στην επιφάνεια της Γης και ακόμη και βαθιά μέσα στον πλανήτη μας, τα άτομα συνδέονται χρησιμοποιώντας μόνο τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους κέλυφος. Αλλά στις υπερ-γήινες πιέσεις, τα ηλεκτρόνια πιο κοντά στον ατομικό πυρήνα εμπλέκονται και αλλάζουν εντελώς τα σχήματα και τις ιδιότητες των υλικών.
Και αυτές οι χημικές ιδιότητες θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά ολόκληρων πλανητών. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι super-Earths παγιδεύουν πολύ θερμότητα. Αλλά δεν ξέρουν πόσο - και η απάντηση στο ερώτημα αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις για τα ηφαίστεια των πλανητών και την τεκτονική των πλακών. Στις εσωτερικές πιέσεις της Γης, τα ελαφρύτερα στοιχεία μπερδεύονται με τον πυρήνα του σιδήρου, επηρεάζοντας το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη - αλλά αυτό δεν μπορεί να συμβεί σε υψηλότερες πιέσεις. Ακόμη και το φυσικό μέγεθος των υπέρ-Γη εξαρτάται από την κρυσταλλική δομή των ενώσεων στους πυρήνες τους.
Αλλά χωρίς πλανήτες αυτού του είδους να μελετήσουν κοντά στο δικό μας ηλιακό σύστημα, δήλωσε η Βαλένθια, οι επιστήμονες πρέπει να στραφούν σε βασικούς φυσικούς υπολογισμούς και πειράματα για να απαντήσουν σε αυτά τα είδη ερωτήσεων. Ωστόσο, αυτοί οι υπολογισμοί εμφανίζουν συχνά ανοικτές απαντήσεις, δήλωσε ο Stixrude. Όσο για τα πειράματα;
"Αυτές οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες είναι πέρα από την ικανότητα των περισσότερων από την τεχνολογία και τα πειράματα που έχουμε σήμερα", είπε.
Δημιουργώντας ένα σούπερ γη στην κανονική Γη
Στη Γη, τα πιο ακραία πειράματα πίεσης περιλαμβάνουν τη σύνθλιψη μικροσκοπικών δειγμάτων μεταξύ των ακονισμένων σημείων δύο βιομηχανικών διαμαντιών.
Αλλά αυτά τα διαμάντια τείνουν να θρυμματίζονται πολύ πριν φτάσουν τις υπερ-γήινες πιέσεις, είπε ο Stixrude. Για να ξεπεράσουν τους περιορισμούς των διαμαντιών, οι φυσικοί στρέφονται σε πειράματα δυναμικής συμπίεσης, τα οποία εκτελούνται από τον ορυκτό φυσικό Tom Duffy και την ομάδα του στο Πανεπιστήμιο του Princeton.
Αυτά τα πειράματα παράγουν περισσότερες υπερ-γήινες πιέσεις, αλλά μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου.
"Η ιδέα είναι να ακτινοβολείτε ένα δείγμα με ένα πολύ ισχυρό λέιζερ και να θερμαίνετε γρήγορα την επιφάνεια αυτού του δείγματος και να εκτοξεύσετε ένα πλάσμα", δήλωσε ο Ντάφι, ο οποίος προήδρευσε τη συνεδρία της APS όπου μίλησε η Βαλένθια.
Τα κομμάτια του δείγματος, που ξαφνικά θερμαίνονται, εκτοξεύονται από την επιφάνεια, δημιουργώντας ένα κύμα πίεσης που κινείται μέσα από το δείγμα.
"Είναι πραγματικά σαν ένα εφέ πυραύλου", είπε ο Duffy.
Τα εμπλεκόμενα δείγματα είναι μικροσκοπικά - σχεδόν επίπεδη και περίπου τετραγωνικά χιλιοστά στην επιφάνεια, είπε. Και το όλο θέμα διαρκεί ένα θέμα νανοδευτερόλεπτα. Όταν το κύμα πίεσης φτάσει στο πίσω μέρος του δείγματος, το όλο θέμα θρυμματίζεται. Αλλά μέσω προσεκτικών παρατηρήσεων κατά τη διάρκεια αυτών των σύντομων παλμών, ο Duffy και οι συνάδελφοί του έχουν καταλάβει τις πυκνότητες και ακόμη και τις χημικές δομές του σιδήρου και άλλων μορίων κάτω από τις προηγουμένως ανήκουστες πιέσεις.
Υπάρχουν ακόμα πολλά αναπάντητα ερωτήματα, αλλά η κατάσταση της γνώσης στον τομέα αλλάζει γρήγορα, δήλωσε η Βαλένθια. Για παράδειγμα, το πρώτο βιβλίο για τη δομή των υπερ-Γη (που η Βαλένθια δημοσίευσε το Φεβρουάριο του 2007 στο The Astrophysical Journal ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Χάρβαρντ) είναι ξεπερασμένο, επειδή οι φυσικοί έχουν αποκτήσει νέες πληροφορίες για τα χημικά μέσα στον δικό μας πλανήτη.
Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις είναι σημαντική, διότι μπορούν να μας πουν εάν οι μακρινές εξωγήινοι κόσμοι έχουν χαρακτηριστικά όπως η τεκτονική των πλακών, το ρεύμα μάγματος και τα μαγνητικά πεδία - και κατά συνέπεια, αν μπορούν να στηρίξουν τη ζωή.
