Глибоко в серці чужорідних світів кристали утворюються під тиском до 40 мільйонів разів інтенсивнішим, ніж атмосферний тиск на Землі, і в 10 разів інтенсивнішим, ніж тиск в ядрі нашої планети. Розуміння їх краще може допомогти нам шукати життя в інших місцях нашої галактики.
Зараз вчені майже нічого не знають про ці загадкові кристали. Вони не знають, як і коли формуються, як вони виглядають або як себе ведуть. Але відповіді на ці запитання можуть мати величезні наслідки для поверхонь тих світів - чи вони покриті потоком магми чи льоду, або обстріляні радіацією зірок їх господарів. Відповідь, у свою чергу, може вплинути на можливість життя цих планет.
Інтер'єри цих екзопланет для нас загадкові, оскільки в нашій Сонячній системі планети мають тенденцію бути або маленькими, скелястими, як Земля і Марс, або великими і газованими, як Сатурн і Юпітер. Але в останні роки астрономи виявили, що так звані "супер-Землі" - гігантські скелясті планети - і "міні-Нептуни" - менші газові планети, ніж існують у нашій Сонячній системі, - більш поширені в решті нашої галактики.
Оскільки ці планети можна побачити лише як слабкі мерехтіння у світлі, що виходить від їхніх зірок-господарів, багато про них залишається таємничим. Вони є надзвичайно щільними чи надмірно широкими? З чого виготовлені їх поверхні? Чи є у них магнітні поля? Виявляється, відповіді на ці запитання значною мірою залежать від того, як поводяться гірські породи та залізо в їхніх наддувних ядрах.
Межі сучасної науки
Зараз наше розуміння екзопланет базується в основному на масштабуванні або зменшенні того, що ми знаємо про планети в нашій власній Сонячній системі, - сказала Діана Валенсія, планетарний вчений з Університету Торонто в Канаді, яка зателефонувала на березневу зустріч американця Фізичне суспільство (APS) для фізиків мінералів для вивчення цих екзотичних екзопланетних матеріалів.
Проблема з підходом до збільшення масштабу полягає в тому, що ви не можете зрозуміти, як залізо поводитиметься в 10 разів більше тиску ядра Землі, просто примножившись, сказала вона. При таких величезних тисках властивості хімічних речовин кардинально змінюються.
"Ми очікуємо, що в цьому питанні знайдемо кристали всередині Землі, яких немає на Землі чи в іншому місці природи", - сказав Ларс Стіксруд, фізик-теоретик мінералів з Каліфорнійського університету, Лос-Анджелес, який це зробив основна теоретична робота щодо обчислення властивостей цих крайніх матеріалів. "Це були б унікальні композиції атомів, які існують лише при дуже високому тиску".
Ці різні домовленості трапляються, сказав він Live Live, оскільки величезні тиски кардинально змінюють спосіб зв'язування атомів. На поверхні Землі і навіть глибоко всередині нашої планети атоми з’єднуються, використовуючи лише електрони у своїх зовнішніх оболонках. Але при надземному тиску електрони, наближені до атомного ядра, втягуються і повністю змінюють форми та властивості матеріалів.
І ці хімічні властивості можуть вплинути на поведінку цілих планет. Наприклад, вченим відомо, що супер-Землі захоплюють багато тепла. Але вони не знають, скільки - і відповідь на це питання має велике значення для вулканів цих планет і тектоніки плит. При внутрішньому тиску Землі легші елементи змішуються із залізним ядром, впливаючи на магнітне поле планети - але це може не статися при більш високих тисках. Навіть фізичний розмір над Землі залежить від кристалічної структури сполук у їх ядрах.
Але без планет подібного роду для вивчення близько до нашої Сонячної системи, сказав Валенсія, вченим доводиться звертатися до основних фізичних розрахунків та експериментів, щоб відповісти на подібні питання. Але ті розрахунки часто виявляють відкриті відповіді, сказав Стіксруд. Щодо експериментів?
"Цей тиск і температура виходять за рамки більшості технологій та експериментів, які ми маємо сьогодні", - сказав він.
Побудова над землею на звичайній Землі
На Землі найекстремальніші експерименти під тиском передбачають дроблення крихітних зразків між загостреними точками двох промислових алмазів.
Але ці алмази, як правило, руйнуються задовго до досягнення надземного тиску, сказав Стіксруд. Щоб подолати обмеження алмазів, фізики звертаються до експериментів з динамічним стисненням, таких як фізик мінералів Том Даффі та його команда з Принстонського університету.
Ці експерименти створюють більше надземного тиску, але лише на частки секунди.
"Ідея полягає в тому, що ви опромінюєте зразок дуже потужним лазером, і ви швидко нагріваєте поверхню цього зразка, і ви видуваєте плазму", - заявив Даффі, який головував на сесії APS, де виступала Валенсія, в ефірі Live Science.
Шматочки зразка, раптово нагріті, вибухають з поверхні, створюючи хвилю тиску, яка рухається по зразку.
"Це дійсно як ефект ракетного корабля", - сказав Даффі.
Зазначені зразки крихітні - майже плоскі, а площею близько міліметра, - сказав він. І вся справа триває лічені наносекунди. Коли хвиля тиску досягає зворотного боку зразка, вся справа розхитується. Але завдяки ретельним спостереженням під час цих коротких імпульсів Даффі та його колеги з'ясували щільність і навіть хімічну структуру заліза та інших молекул під раніше нечуваним тиском.
Є ще багато питань без відповіді, але стан знань у цій галузі швидко змінюється, сказала Валенсія. Наприклад, перша праця про структуру над Землями (опублікована Валенсією в лютому 2007 року в «Астрофізичному журналі» аспірантом Гарвардського університету) застаріла, оскільки фізики отримали нову інформацію про хімічні речовини у нашій власній планеті.
Відповідь на ці питання важлива, Даффі сказав, оскільки вони можуть сказати нам, чи мають далекі чужі світи такі характеристики, як тектоніка плит, течія магми та магнітні поля - а отже, чи можуть вони підтримувати життя.
