Tief im Inneren des Planeten Erde gibt es ein flüssiger äußerer Kern und ein solider innerer Kern die gegeneinander rotieren. Dadurch entsteht der Dynamoeffekt, der für die Erzeugung des planetarischen Magnetfelds der Erde verantwortlich ist. Auch bekannt als a Magnetosphäre , hält dieses Feld unser Klima stabil, indem es verhindert, dass die Erdatmosphäre an den Weltraum verloren geht. Bei der Untersuchung von felsigen Exoplaneten fragen sich Wissenschaftler natürlich, ob sie auch Magnetosphären haben.
Bis wir die Magnetfelder eines Exoplaneten messen können, sind wir leider gezwungen, aus den verfügbaren Beweisen auf ihre Existenz zu schließen. Genau das haben Forscher der Sandia National Laboratories tat mit seiner Z Pulsstromanlage (PPF). Zusammen mit ihren Partnern bei der Carnegie-Institut für Wissenschaft , konnten sie den Gravitationsdruck von „Super-Erden“ replizieren, um zu sehen, ob sie Magnetfelder erzeugen könnten.
Das Forschungsteam wurde geleitet von Yingwei Fei , ein Geochemiker bei Carnegie’s Labor für Erde und Planeten (EPL) und Christopher T. Seagle , Postdoc und Managerin an den Sandia National Laboratories (SNL). Er wurde von mehreren Forschern der EPL und der SNL unterstützt. Ihre Ergebnisse wurden in einer Studie präsentiert, die kürzlich in . veröffentlicht wurde Naturkommunikation .
Künstlerische Darstellung des Mondes in der Magnetosphäre der Erde, mit „Erdwind“ bestehend aus fließenden Sauerstoffionen (grau) und Wasserstoffionen (hellblau). Bildnachweis: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS
Wenn es um die Messung der Bewohnbarkeit der Planeten geht, sind Wissenschaftler gezwungen, den so genannten Ansatz der „niedrig hängenden Früchte“ zu verfolgen. Dies bedeutet, nach erdähnlichen Planeten zu suchen, was im Wesentlichen Gesteinsplaneten mit einer dichten Atmosphäre aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und anderen Gasen bedeutet. Eine weitere wichtige Überlegung ist, ob ein Planet innerhalb der habitablen Zone (HZ) seines Muttersterns umkreist oder nicht.
Planeten, die in diesem Bereich umkreisen, werden Temperaturen erfahren, die warm genug sind, um flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu halten. Wie Wissenschaftler in den letzten Jahren festgestellt haben, ist jedoch auch die geologische Aktivität ein wichtiger Faktor für die Aufrechterhaltung der Bewohnbarkeit der Erde. Wie Richard Carlson, Direktor des Earth and Planets Laboratory, in einem Carnegie Science Pressemitteilung :
„Obwohl Beobachtungen der atmosphärischen Zusammensetzung eines Exoplaneten der erste Weg sein werden, um nach Signaturen von Leben außerhalb der Erde zu suchen, werden viele Aspekte der Bewohnbarkeit eines Planeten von den Vorgängen unter der Oberfläche des Planeten beeinflusst felsige Materialien unter extremen Temperaturen und Drücken kommen.“
In den letzten Jahren haben Exoplaneten-Untersuchungen zur Entdeckung von nicht weniger als 4.341 Exoplaneten in 3216 Systemen geführt (wobei weitere 5.742 Kandidaten auf ihre Bestätigung warten). Von den bestätigten wurden 1340 robuste Gesteinsplaneten identifiziert, die ein Vielfaches der Masse der Erde und bis zu 8-mal so groß sind – daher die Bezeichnung „Super-Erde“.
Die Z-Maschine der Sandia National Laboratories. Credits: SNL/Randy Montoya
„Die Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen, ist entscheidend für die Entwicklung zuverlässiger Modelle der inneren Struktur von Supererden mit der bis zu achtfachen Masse unseres Planeten“, fügte Fei hinzu. „Diese Ergebnisse werden einen tiefgreifenden Einfluss auf unsere Fähigkeit haben, Beobachtungsdaten zu interpretieren.“
„Die Frage, die uns bevorsteht, ist, ob einer dieser Superplaneten tatsächlich erdähnlich ist, mit aktiven geologischen Prozessen, Atmosphären und Magnetfeldern“, sagte Joshua Townsend, ein Sandia-Physiker und Mitautor des Artikels in einem kürzlich erschienenen SNL Pressemitteilung . Mit anderen Worten, sind diese exotischen und massiven Gesteinsplaneten in der Lage, Leben, wie wir es kennen, zu unterstützen?
Im Herzen der Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, setzt das Z PPF auf spezielle Instrumente – wie die Multi-Amboss-Apparatur, den Kolbenzylinder und die Diamant-Ambosszelle – um die hohen Druck- und Temperaturbedingungen in a . zu simulieren das Innere des Planeten. Dabei sind sie in der Lage, die physikalischen Eigenschaften von Exoplaneten zu messen und ihre gravitative Umgebung nachzuahmen.
Für ihre Studie replizierte das Carnegie/SNL-Team den Gravitationsdruck von „Super-Erden“, indem das Äquivalent riesiger Gravitationsdrücke auf Bridgmanit (auch bekannt als Magnesiumsilikat) nahezu augenblicklich angewendet wurde. Dieses Mineral ist das am häufigsten vorkommende Material im Inneren von Gesteinsplaneten und wurde verwendet, um das Mantelmaterial einer Supererde zu simulieren.
Künstlerische Darstellung der inneren Struktur der Erde. Bildnachweis: Argonne National Labs
Indem das Bridgmanit von der Z-Maschine erzeugten Hypergeschwindigkeits-Stoßwellen ausgesetzt wurde, konnte das Team Drücke reproduzieren, die für das Innere einer Supererde repräsentativ sind. Unter diesen Bedingungen stellte das Team fest, dass Bridgmanit einen sehr hohen Schmelzpunkt hat, ein Befund, der schwerwiegende Auswirkungen auf die Innendynamik von Supererden haben könnte.
Wie sie in ihrer Studie angedeutet haben, könnten massive Gesteinsplaneten unter bestimmten thermischen Evolutionsszenarien früh in ihrer Entwicklung einen thermisch angetriebenen Geodynamo entwickeln. Dieser Dynamoeffekt kann jedoch verschwinden, wenn sich die Abkühlung des Planeteninneren verlangsamt, nur um durch die Bewegung leichterer Elemente und die Kristallisation des inneren Kerns neu gestartet zu werden.
Die Experimente ermöglichten auch die Erstellung einer Datentabelle, die zeigt, wie sich der Zustand des Inneren eines Planeten (fest, flüssig oder gasförmig) je nach Druck-, Temperatur- und Dichtebedingungen (und wie lange) ändert. Als Fei erklärt über die Veröffentlichung von SNL:
„Um Modelle zu bauen, die es uns ermöglichen, die innere Dynamik und Struktur von Supererden zu verstehen, müssen wir in der Lage sein, Daten aus Proben zu entnehmen, die sich den dort herrschenden Bedingungen annähern, die das 14-Millionen-fache des Atmosphärendrucks überschreiten könnten. Wir stießen jedoch immer wieder an Grenzen, diese Bedingungen im Labor zu schaffen.“
Künstlerische Darstellung eines Super-Erde-Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
„Z hat unserer Zusammenarbeit ein einzigartiges Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dem keine andere Technik mithalten kann, um die extremen Bedingungen im Inneren der Supererden zu erkunden“, er hinzugefügt , über die Veröffentlichung von Carnegie Science. „Die beispiellos hochwertigen Daten der Maschine waren entscheidend für die Weiterentwicklung unseres Wissens über Supererden.“
Basierend auf ihrer Analyse des Zustands des Inneren der Supererde erstellte das Team auch eine Liste von sieben Planeten, die möglicherweise einer weiteren Untersuchung würdig sind. Dazu gehören 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 b und HD-219134 b. Als Seagle, der diese Experimente ursprünglich mit Fei vorschlug, genannt :
„Diese Planeten, von denen wir festgestellt haben, dass sie am ehesten Leben fördern, wurden für weitere Untersuchungen ausgewählt, da sie in Bezug auf Eisen, Silikate und flüchtige Gase ein ähnliches Verhältnis wie die Erde aufweisen, zusätzlich zu den Innentemperaturen, die zur Aufrechterhaltung von Magnetfeldern zum Schutz vor Sonnenwind förderlich sind. ”
Supererden sind zu einem Brennpunkt des Interesses geworden, da sie aufgrund ihrer größeren Größe und Masse einen großen Gravitationsdruck ausüben. Infolgedessen werden diese Planeten wahrscheinlich längere Zeit an ihrer Atmosphäre festhalten, wodurch sichergestellt wird, dass das Leben eine bessere Chance hat, aufzutreten und sich zu einem höheren Komplexitätszustand zu entwickeln.
Künstlerisches Design der Super-Erde GJ 625 b und ihres Sterns GJ625 (Gliese 625). Bildnachweis: Gabriel Pérez/SMM (IAC)
Ihre beträchtliche Masse führt auch dazu, dass Druck- und Temperaturverhältnisse in ihrem Inneren eher zu einem Geodynamo führen. Wie Townsend erklärte, veranschaulicht der Kontrast zwischen Erde und Mars, wie dies funktioniert. „Weil der Mars kleiner war, hatte er anfangs ein schwächeres Gravitationsfeld“, sagte er. „Als sein Kern dann schnell abkühlte, verlor es sein Magnetfeld und seine Atmosphäre wurde anschließend entfernt.“
Es ist kein Geheimnis, dass das Gebiet der Exoplanetenforschung in den letzten Jahrzehnten sprunghaft gewachsen ist. In den kommenden Jahren werden Instrumente der nächsten Generation ins All oder hier auf der Erde einsatzbereit sein. In Erwartung dessen arbeiten Wissenschaftler fleißig an der Entwicklung von Modellen, Methoden und Frameworks, die eine schnellere Charakterisierung ermöglichen.
Diese werden Astronomen nicht nur sagen, wo sie suchen müssen, sie helfen Astronomen auch, die verräterischen Signaturen zu erkennen, die auf die Anwesenheit von Leben hinweisen könnten (auch bekannt als Biosignaturen). Die Suche nach Leben außerhalb der Erde war bisher hart und anhaltend und wird es wahrscheinlich immer bleiben. Aber es wird auch noch viel spannender, und zwar bald!
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