Duboko u srcu vanzemaljskih svjetova, kristali se stvaraju pod pritiscima do 40 milijuna puta intenzivnijim od atmosferskog pritiska na Zemlji i čak 10 puta intenzivnijeg od pritiska u jezgri našeg planeta. Bolje razumijevanje njih moglo bi nam pomoći u potrazi za životom drugdje u našoj galaksiji.
Trenutno znanstvenici gotovo ništa ne znaju o tim tajanstvenim kristalima. Ne znaju kako i kada se formiraju, kako izgledaju ili kako se ponašaju. Ali odgovori na ta pitanja mogli bi imati ogromne posljedice na površine tih svjetova - bilo da su prekriveni ili tekućom magmom ili ledom ili su bombardirani zračenjem zvijezda svojih domaćina. Odgovor bi, sa svoje strane, mogao utjecati na mogućnost da ovi planeti nose život.
Unutrašnjost ovih egzoplaneta za nas je tajanstvena jer su u našem Sunčevom sustavu planete malene i kamenite, poput Zemlje i Marsa, ili velike i gasovite, poput Saturna i Jupitera. Ali posljednjih godina astronomi su otkrili da su takozvane "super-Zemlje" - divovske stjenovite planete - i "mini-Neptuni" - manji plinoviti planeti nego što postoje u našem Sunčevom sustavu - češće u ostatku naše galaksije.
Budući da se ove planete mogu vidjeti samo kao bljesak treperećeg svjetla koje dolaze od njihovih domaćina zvijezda, mnogo toga o njima ostaje tajno. Jesu li superdušni ili superširi? Od čega su napravljene njihove površine? Imaju li magnetska polja? Ispada da odgovori na ta pitanja uvelike ovise o ponašanju stijene i željeza u njihovim ultratlačnim jezgrama.
Granice trenutne znanosti
Trenutno, naše razumijevanje egzoplaneta uglavnom se temelji na skaliranju prema gore ili dolje onoga što znamo o planetima u našem vlastitom Sunčevom sustavu, rekla je Diana Valencia, planetarna znanstvenica sa Sveučilišta u Torontu u Kanadi, koja je pozvala na ožujski sastanak Amerikanaca Fizičko društvo (APS) za fizičare minerala koji će istražiti ove egzotične egzoplanetarne materijale.
Problem s pristupom skaliranja je što zapravo ne možete razumjeti kako će se željezo ponašati 10 puta više od pritiska jezgre Zemlje samo množenjem, rekla je. Pri tim ogromnim pritiscima svojstva kemikalija temeljno se mijenjaju.
"Očekivali bismo da ćemo pronaći kristale unutar super-Zemlje koji ne postoje na Zemlji ili bilo gdje drugdje u prirodi, po tom pitanju", rekao je Lars Stixrude, fizičar teorijskih minerala na Kalifornijskom univerzitetu u Los Angelesu, koji je to učinio osnovni teorijski rad za izračunavanje svojstava ovih ekstremnih materijala. "To bi bili jedinstveni rasporedi atoma koji postoje samo pod vrlo visokim tlakom."
Ovi različiti aranžmani događaju se, rekao je on Live Scienceu, jer ogromni pritisci u osnovi mijenjaju kako se atomi povezuju. Na zemljinoj površini, pa čak i duboko u našem planetu, atomi se povezuju koristeći samo elektrone u svojim vanjskim ljušturama. No, pri pritiscima super-Zemlje, elektroni bliži atomskom jezgru ulaze i potpuno mijenjaju oblike i svojstva materijala.
A ta kemijska svojstva mogla bi utjecati na ponašanje čitavih planeta. Na primjer, znanstvenici znaju da super-Zemlje hvataju puno topline. Ali ne znaju koliko - a odgovor na to pitanje ima velike posljedice na vulkane planeta i tektoniku ploča. Pri unutarnjim pritiscima Zemlje, lakši se elementi miješaju sa željeznom jezgrom, utječući na magnetsko polje planeta - ali to se možda neće dogoditi pri većim pritiscima. Čak i fizička veličina super-Zemalja ovisi o kristalnoj strukturi spojeva u njihovim jezgrama.
Ali bez planeta ove vrste koji bi se izučavali izbliza u našem vlastitom Sunčevom sustavu, rekao je Valencia, znanstvenici se moraju okrenuti osnovnim fizičkim proračunima i eksperimentima da bi odgovorili na ovakva pitanja. Ali ti izračuni često stvaraju otvorene odgovore, rekao je Stixrude. Što se tiče pokusa?
"Ti pritisci i temperature prevazilaze mogućnosti većine tehnologija i eksperimenata koje danas imamo", rekao je.
Izgradnja super-Zemlje na redovnoj Zemlji
Na Zemlji, najekstremniji tlačni pokusi uključuju drobljenje sitnih uzoraka između naoštrenih točaka dvaju industrijskih dijamanata.
Ali ti dijamanti imaju tendenciju da se razbiju puno prije nego što su dostigli pritisak super Zemlje, rekao je Stixrude. Da bi zaobišli ograničenja dijamanata, fizičari se okreću eksperimentima dinamičke kompresije, kakve su izveli fizičar minerala Tom Duffy i njegov tim sa Sveučilišta Princeton.
Ovi eksperimenti proizvode više pritisaka nalik Zemlji, ali samo u dijelu sekunde.
"Ideja je da uzorak zračite jako laserskim motorom i brzo zagrijavate površinu tog uzorka i ispušete plazmu", rekao je Duffy, koji je predsjedao sjednicom APS-a na kojoj je Valencia govorio, za Live Science.
Komadići uzorka, iznenada zagrijani, eksplodiraju s površine, stvarajući pritisak val koji se kreće kroz uzorak.
"To je zaista poput efekta raketnog broda", rekao je Duffy.
Uzorci su maleni - gotovo ravni i s površinom od oko milimetra, rekao je. A cijela stvar traje nekoliko nanosekundi. Kad valni pritisak dosegne stražnji dio uzorka, cijela se stvar raspada. Ali pažljivim promatranjem tijekom tih kratkih pulsova, Duffy i njegovi kolege otkrili su gustoću, pa čak i kemijske strukture željeza i drugih molekula pod prethodno nečuvenim pritiscima.
Ima još mnogo neodgovorenih pitanja, ali stanje znanja na terenu brzo se mijenja, rekla je Valencia. Na primjer, prvi rad o strukturi super-Zemlje (koji je Valencia objavila u veljači 2007. u časopisu Astrophysical Journal kao diplomski student na Harvardu) zastario je jer su fizičari dobili nove informacije o kemikalijama unutar našeg vlastitog planeta.
Odgovor na ta pitanja je važan, rekao je Duffy, jer nam mogu reći imaju li udaljeni izvanzemaljski svjetovi karakteristike poput tektonike ploča, tekuće magme i magnetskog polja - i, stoga, mogu li podržavati život.
