Wir alle wissen, was Wasser ist. Und was für ein Fels ist. Der Unterschied ist glasklar. Nun, hier auf der Erde ist es so.
Aber auf anderen Welten? Der Unterschied ist vielleicht nicht so deutlich.
Unter den Hunderten von Milliarden Sternen in der Milchstraße befinden sich wer-weiß-wie-viele Exoplaneten. Einige von ihnen werden Ozeanwelten sein, die vollständig mit Wasser bedeckt sind und wenig bis keine Landmassen aufweisen. Und die meisten von ihnen werden wahrscheinlich viel größer als die Erde sein. Wissenschaftlern zufolge können diese Planeten Ozeane mit einer Dicke von bis zu 1.000 km beherbergen, und all das Wasser drückt auf einen felsigen Mantel.
Wissenschaftler haben eine Reihe von Fragen zu dieser Art von Planeten. Könnte sich auf diesen Welten Leben entwickeln? Wenn ja, was für ein Leben? Könnte diese Art von Welt sogar Leben unterstützen oder ist exponiertes Land ein kritischer Teil der Welt Biogeochemie , wie hier auf der Erde?
Ein Forscherteam unter der Leitung der Arizona State University wollte mehr tun, als nur an sie zu denken. Um diese Welten besser zu verstehen und bei diesen Fragen Fortschritte zu erzielen, haben sie in ihrem Labor eine Wasserwelt nachgebaut. Irgendwie.
Künstlerische Illustration des Exoplaneten Kepler 62f. Es befindet sich in der bewohnbaren Zone seines Sterns und ist eine Supererde. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, aber es könnte eine Wasserwelt sein. Bildnachweis: Von NASA Ames/JPL-Caltech – http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-morningstar.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=25659816
Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden gerade in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA veröffentlicht. Der Titel der Zeitung lautet „ Großes H2O-Löslichkeit in dichtem Siliziumdioxid und ihre Auswirkungen auf das Innere wasserreicher Planeten .“ Hauptautor ist Dan Shim, außerordentlicher Professor an der ASU und Leiter des Labor für Erd- und Planetenmaterialien .
Das Forscherteam nutzte die Erweiterte Photonenquelle Labor am Argonne National Laboratory des Department of Energy. Das mag widersprüchlich erscheinen – ein Röntgenlabor zu verwenden, um Planeten zu untersuchen – aber es funktionierte. Wie der Hauptautor Dan Shim in einer Pressemitteilung sagte: „Die Leute denken kaum an Astrophysik, wenn sie über eine Röntgenanlage sprechen. Aber wir können eine Einrichtung wie das APS verwenden, um ein Objekt zu verstehen, das zu weit entfernt ist, als dass wir es sehen könnten.“
„Wenn man einen Planeten aus Wasser und Gestein bauen würde, würde man annehmen, dass das Wasser eine Schicht über dem Gestein bildet.“
Dan Shim, Hauptautor, Arizona State University
Im Labor haben die Forscher die extremen Eigenschaften großer Ozeanwelten nachgestellt. Diese Planeten können Gesteinsmäntel haben, über denen riesige Wassermengen mit starkem Druck auf sie drücken. Dieser Quetschdruck erzeugt auch starke Hitze.
„Die Geologie von Exoplaneten zu bestimmen ist schwierig, da wir keine Teleskope verwenden oder Rover auf ihre Oberfläche schicken können“, sagte Shim. „Also versuchen wir, die Geologie im Labor zu simulieren.“
Das Team platzierte Proben von Siliziumdioxid oder Siliziumdioxid zwischen speziellen Diamanten in einem Gerät namens a Diamantambosszelle . Anschließend komprimierten sie die Proben auf extrem hohe Drücke und simulierten so die Situation, in der sich Gesteinsmäntel auf großen Ozeanplaneten befinden. Dann setzten sie die Proben Infrarotlasern aus.
„Wir können den Druck auf mehrere Millionen Atmosphären erhöhen“, sagte Yue Meng, Physiker in der Röntgenforschungsabteilung von Argonne und Mitautor des Papiers. Meng war einer der Hauptentwickler der Techniken, die bei HPCAT verwendet wurden, das auf Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente spezialisiert ist.
Ein Diagramm der Diamond Amboss Cell. Das Team komprimierte seine Silica-Proben zwischen den Diamanten, um den Druck zu simulieren, der auf felsige Mäntel auf Ozeanwelten ausgeübt wird. Dann erhitzten sie die Probe mit Laserstrahlen, um eine Reihe von Temperaturen zu simulieren. Bildquelle: Argonne National Laboratory. Kredit Argonne National Laboratory. Namensnennung-Keine kommerzielle Nutzung-Keine Bearbeitungen 2.0 Generic (CC BY-NC-ND 2.0)
„Das APS ist einer der wenigen Orte auf der Welt, an dem Sie diese Art von Spitzenforschung durchführen können“, sagte sie. „Die Beamline-Wissenschaftler, Techniker und Ingenieure machen diese Forschung möglich.“
Obwohl wir viele der spezifischen Eigenschaften großer Ozeanwelten nicht kennen, können Wissenschaftler ihren Druck berechnen. Nachdem die Proben auf den Druck der Ozeanwelt gebracht wurden, wurden sie den Lasern ausgesetzt, die die Probe auf Temperaturen erhitzen, die an den felsigen Mänteln dieser Planeten unter all dem Wasser zu finden sind. Dieser Druck variiert ziemlich stark, abhängig von Dingen wie dem Alter des Planeten und der Menge an radioaktive Zerfallsheizung . Also berechnete das Team einen Temperaturbereich für seine Experimente.
„Wir können die Probe auf Tausende von Grad Fahrenheit bringen“, sagte Vitali Prakapenka, Beamline-Wissenschaftler bei GSECARS, Forschungsprofessor an der University of Chicago und Co-Autor des Artikels. „Wir haben zwei Hochleistungslaser, die von beiden Seiten auf die Probe strahlen, präzise ausgerichtet mit einer ultrahellen APS-Röntgensonde und Temperaturmessungen entlang der optischen Pfade mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich.“
Was fanden die Forscher heraus, als sie Siliziumdioxidproben diesen extremen Drücken und Temperaturen aussetzten?
„Früher glaubten wir, dass es eine Trennung zwischen Gestein und Wasser gibt, aber basierend auf diesen Studien gibt es keine scharfe Grenze.“
Vitali Prakapenka, Co-Autor der Studie, Beamline-Wissenschaftler und Forschungsprofessor, University of Chicago
Als sie die Proben hohen Temperaturen und Drücken von 30 Gigapascal aussetzten, was etwa 300.000 Mal mehr Druck als auf der Erdoberfläche ist, verschmolzen Wasser und Kieselsäure.
Sie hatten eine neue Übergangsphase zwischen Kieselsäure und Wasser gefunden, was darauf hindeutet, dass die Grenze zwischen Wasser und Gestein auf diesen Exoplaneten nicht so fest ist wie hier auf der Erde. Diese überraschende Entdeckung wird die Art und Weise, wie Wissenschaftler über Exoplaneten denken und sie modellieren, verändern.
„Wenn man einen Planeten mit Wasser und Gestein bauen würde, würde man annehmen, dass das Wasser eine Schicht über dem Gestein bildet“, sagte er. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass das nicht unbedingt wahr ist. Bei genügend Hitze und Druck wird die Grenze zwischen Gestein und Wasser unscharf.“
Das bedeutet, dass es an der Zeit ist, unsere Exoplanetenmodelle zu aktualisieren.
„Der Hauptpunkt ist, dass es den Leuten, die die Struktur dieser Planeten modellieren, sagt, dass die Zusammensetzung komplizierter ist, als wir dachten“, sagte Vitali Prakapenka, Beamline-Wissenschaftler bei GSECARS, Forschungsprofessor an der University of Chicago und Co-Autor auf dem Papier. „Früher glaubten wir, dass es eine Trennung zwischen Gestein und Wasser gibt, aber basierend auf diesen Studien gibt es keine scharfe Grenze.“
Tatsächlich könnte dieses neue Material Ozeanwelten dominieren.
„Daher wären die physikalischen Eigenschaften der neuen Phasen, über die wir hier berichten, wichtig für das Verständnis von Dynamik, geochemischem Zyklus und Dynamoerzeugung auf wasserreichen Planeten.“
Aus dem Papier „Großes H2O Löslichkeit in dichtem Siliziumdioxid und ihre Auswirkungen auf das Innere wasserreicher Planeten.“
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Phasen, die sowohl Wasserstoff als auch lithophile Elemente enthalten, die vorherrschenden Materialien im Inneren wasserreicher Planeten sein könnten“, schreiben die Autoren in ihrer Studie. „Selbst bei vollständig geschichteten Fällen könnte die große gegenseitige Löslichkeit die Grenze zwischen Gesteins- und Eisschichten unscharf machen. Daher wären die physikalischen Eigenschaften der neuen Phasen, über die wir hier berichten, wichtig für das Verständnis der Dynamik, des geochemischen Zyklus und der Dynamoerzeugung auf wasserreichen Planeten.“
Das ist kritische Arbeit. Die Art und Weise, wie Wasser und Gestein interagieren, ist enorm, wenn es um das Leben auf der Erde geht. Was bedeutet diese Entdeckung für die Zukunft?
„Es ist ein Ausgangspunkt, um die Funktionsweise der Chemie auf diesen Planeten zu entwickeln“, sagte Shim. „Wie Wasser mit Gestein interagiert, ist wichtig für das Leben auf der Erde, und daher ist es auch wichtig, die Art des Lebens zu verstehen, die auf einigen dieser Welten vorkommen könnte.“
Mehr:
- Pressemitteilung: Unter der Oberfläche der Wasserwelten unserer Galaxie
- Forschungsbericht: Großes H2O-Löslichkeit in dichtem Siliziumdioxid und ihre Auswirkungen auf das Innere wasserreicher Planeten
- Die Unterhaltung: Die Suche nach außerirdischem Leben in den heimatnahen Wasserwelten
- Universum heute: Vor 3 Milliarden Jahren hätte die Welt eine Wasserwelt ohne Kontinente sein können
