Was passiert in den Tiefen ferner Welten?

Die Physik und Chemie, die tief in unserem Planeten stattfinden, sind grundlegend für die Existenz des Lebens, wie wir es kennen. Doch welche Kräfte wirken im Inneren ferner Welten und wie wirken sich diese Bedingungen auf ihre Bewohnbarkeit aus?

Neue Arbeiten unter der Leitung des Carnegie Earth and Planetary Laboratory verwenden Laborsimulationsmethoden, um eine neue Kristallstruktur aufzudecken, die große Auswirkungen auf unser Verständnis des Inneren großer, felsiger Exoplaneten hat. Ihre Ergebnisse wurden zuvor veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Rajkrishna Dutta, Hauptautorin von der Carnegie University, erklärte: „Die innere Dynamik unseres Planeten ist wesentlich für die Aufrechterhaltung einer Oberflächenumgebung, in der Leben gedeihen kann – sie treibt den Geodynamo an, der unser Magnetfeld erzeugt und die Zusammensetzung unserer Atmosphäre formt.“ „Die Bedingungen in den Tiefen großer, felsiger Exoplaneten wie superterrestrischer Planeten wären sogar noch extremer.“

Silikatmineralien machen die meisten Schichten der Erde aus und es wird angenommen, dass sie auch ein Hauptbestandteil des Inneren anderer Gesteinsplaneten sind, basierend auf Berechnungen ihrer Dichte. Auf der Erde treten strukturelle Veränderungen in den darunter liegenden Silikaten auf hoher Druck Temperaturbedingungen definieren große Grenzen tief im Erdinneren, etwa zwischen dem oberen und dem unteren Erdmantel.

Das Forschungsteam – dem Sally John Tracy von Carnegie, Ron Cohen, Francesca Mussi, Kai Lu und Jing Yang sowie Pamela Burnley von der University of Nevada Las Vegas, Dean Smith und Yu Ming vom Argonne National Laboratory und Stella Chariton angehörten und Can Vitaly Brakabenka von der University of Chicago. Thomas Duffy von der Princeton University ist daran interessiert, die Entstehung und das Verhalten neuer Formen von Silikaten unter Bedingungen zu untersuchen, die denen auf fernen Welten nachempfunden sind.

„Seit Jahrzehnten leisten Carnegie-Forscher Pionierarbeit bei der Wiederherstellung der inneren Bedingungen von Planeten, indem sie kleine Materialproben enormen Drücken und hohen Temperaturen aussetzen“, sagte Duffy.

Die Fähigkeit von Wissenschaftlern, die inneren Bedingungen von Exoplaneten im Labor nachzubilden, ist jedoch begrenzt. Theoretische Modellierungen deuteten auf die Entstehung neuer Silikatphasen unter den erwarteten Drücken in den Mänteln felsiger Exoplaneten hin, die mindestens die vierfache Masse der Erde haben. Aber diese Verschiebung ist noch nicht bemerkt worden.

Allerdings ist Germanium eine gute Alternative zu Silizium. Die beiden Elemente bilden ähnliche Kristallstrukturen, aber Germanium induziert einen Übergang zwischen chemischen Phasen bei niedrigeren Temperaturen und Drücken, der in Laborexperimenten besser kontrolliert werden kann.

Arbeiten mit Magnesiumgranit, Mg₂geo₄ähnlich einem der am häufigsten vorkommenden Mantel Silikatische MineralienIn diesem Artikel konnte das Team Informationen über die möglichen Mineralien der Supererden und der großen felsigen Exoplaneten sammeln.

Unter etwa dem Zweimillionenfachen des normalen atmosphärischen Drucks erschien eine neue Phase mit einer ausgeprägten Kristallstruktur, die Germanium enthielt, das an acht Sauerstoffatome gebunden war.

„Das Interessanteste für mich ist, dass Magnesium und Germanium, zwei sehr unterschiedliche Elemente, sich in der Struktur gegenseitig ersetzen“, sagte Cohen.

Unter Umgebungsbedingungen sind die meisten Silikate und Germanium in einer sogenannten tetraedrischen Struktur organisiert, wobei ein zentrales Silizium oder Germanium an vier andere Atome gebunden ist. Unter extremen Bedingungen kann sich dies jedoch ändern.

Tracy erklärte, dass „die Entdeckung, dass Silikate unter extremem Druck eine Struktur annehmen konnten, die auf sechs statt auf vier Bindungen ausgerichtet war, in Bezug auf das Verständnis der Wissenschaftler von der tiefen Dynamik der Erde eine völlige Veränderung darstellte.“ „Die Entdeckung eines achtfachen Trends könnte ähnlich revolutionäre Auswirkungen darauf haben, wie wir über die Dynamik des inneren Exoplaneten denken.“