Hlboko v srdci mimozemských svetov sa kryštály tvoria pod tlakom až 40 miliónov krát intenzívnejším ako atmosférický tlak na Zemi a až 10krát intenzívnejším ako tlak v jadre našej planéty. Lepšie porozumenie im môže pomôcť hľadať život inde v našej galaxii.
V súčasnosti vedci o týchto záhadných kryštáloch nevedia takmer nič. Nevedia, ako a kedy sa formujú, ako vyzerajú alebo ako sa správajú. Odpovede na tieto otázky by však mohli mať obrovský vplyv na povrchy týchto svetov - či už sú pokryté buď prúdiacou magmou alebo ľadom, alebo sú bombardované žiarením od svojich hostiteľských hviezd. Odpoveď by zas mohla ovplyvniť možnosť, že tieto planéty budú mať život.
Interiéry týchto exoplanet sú pre nás záhadné, pretože v našej slnečnej sústave majú planéty tendenciu byť buď malé a skalnaté, ako je Zem a Mars, alebo veľké a plynné ako Saturn a Jupiter. Ale v posledných rokoch astronómovia zistili, že takzvané „super-Zeme“ - obrovské skalné planéty - a „mini-Neptúny“ - menšie planéty zemného plynu, než aké existujú v našej slnečnej sústave, sú vo zvyšku našej galaxie častejšie.
Pretože tieto planéty je možné vnímať iba ako slabé blikanie vo svetle prichádzajúcom z ich hostiteľských hviezd, veľa o nich zostáva tajomných. Sú superdense alebo superwide? Z čoho sú vyrobené ich povrchy? Majú magnetické polia? Odpovede na tieto otázky, ako sa ukazuje, do značnej miery závisia od toho, ako sa hornina a železo v ultraprietlakovanom jadre správajú.
Limity súčasnej vedy
Naše porozumenie exoplanetám je teraz založené zväčša na rozširovaní alebo znižovaní toho, čo vieme o planétach v našej vlastnej slnečnej sústave, uviedla Diana Valencia, planetárna vedkyňa na University of Toronto v Kanade, ktorá zvolala na marcovom stretnutí Američanov Fyzická spoločnosť (APS) pre minerálnych fyzikov, aby preskúmala tieto exotické exoplanetárne materiály.
Problém s rozširovaním prístupu je, že naozaj nemôžete pochopiť, ako sa bude železo správať pri desaťnásobnom tlaku jadra Zeme iba vynásobením, povedala. Pri týchto obrovských tlakoch sa vlastnosti chemikálií zásadne menia.
„Očakávali by sme, že nájdu kryštály vo vnútri super-Zeme, ktoré neexistujú na Zemi alebo kdekoľvek inde v prírode,“ povedal Lars Stixrude, teoretický minerálny fyzik na Kalifornskej univerzite v Los Angeles, ktorý urobil základná teoretická práca na výpočet vlastností týchto extrémnych materiálov. „Toto by bolo jedinečné usporiadanie atómov, ktoré existujú iba pri veľmi vysokom tlaku.“
K týmto rôznym usporiadaniam dochádza, povedal pre Live Science, pretože obrovské tlaky zásadne menia spôsob, akým sa atómy viažu. Na zemskom povrchu a dokonca hlboko vo vnútri našej planéty sa atómy spájajú pomocou elektrónov iba vo svojich vonkajších škrupinách. Ale pri super-zemských tlakoch sa zapájajú elektróny bližšie k atómovému jadru a úplne menia tvary a vlastnosti materiálov.
A tieto chemické vlastnosti by mohli ovplyvniť správanie celých planét. Napríklad vedci vedia, že super-Zeme zachytávajú veľa tepla. Ale nevedia, koľko - a odpoveď na túto otázku má významné dôsledky pre sopky a tektoniku tanierov. Pri vnútorných tlakoch Zeme sa ľahšie prvky zmiešajú so železným jadrom, čo ovplyvňuje magnetické pole planéty - ale to sa nemusí stať pri vyšších tlakoch. Dokonca aj fyzická veľkosť super-Zeme závisí od kryštalickej štruktúry zlúčenín v ich jadrách.
Ale bez planét tohto druhu, ktoré by sa podrobne skúmali v našej vlastnej slnečnej sústave, vedci z Valencie uviedli, že vedci sa musia obrátiť na základné fyzikálne výpočty a experimenty, aby mohli zodpovedať tieto druhy otázok. Ale tieto výpočty často ukazujú otvorené odpovede, povedal Stixrude. Pokiaľ ide o experimenty?
„Tieto tlaky a teploty presahujú možnosti väčšiny technológií a experimentov, ktoré máme dnes,“ uviedol.
Budovanie super-Zeme na pravidelnej Zemi
Na Zemi experimenty s najextrémnejším tlakom zahŕňajú drvenie malých vzoriek medzi zaostrenými bodmi dvoch priemyselných diamantov.
Ale tieto diamanty majú tendenciu sa rozpadať dlho predtým, ako dosiahnu tlak na Zem, povedal Stixrude. Aby sa oboznámili s obmedzeniami diamantov, fyzici sa obracajú na experimenty s dynamickou kompresiou, aké vykonáva minerálny fyzik Tom Duffy a jeho tím na Princetonskej univerzite.
Tieto experimenty produkujú viac tlakov podobných Zemi, ale iba zlomky sekundy.
„Ide o to, že ožiarite vzorku vysoko výkonným laserom a rýchlo vyhrievate povrch tejto vzorky a vyhodíte plazmu,“ povedala spoločnosť Live Science Duffy, ktorá predsedala schôdzi APS, na ktorej hovoril Valencia.
Bity vzorky, ktoré sa náhle zahriali, vystrekli z povrchu a vytvorili tlakovú vlnu, ktorá sa pohybuje vzorkou.
„Je to naozaj ako efekt raketovej lode,“ povedal Duffy.
Zúčastnené vzorky sú malé - takmer ploché a ich plocha je len asi milimeter štvorcový. A celá vec trvá nanosekundy. Keď tlaková vlna dosiahne zadnú časť vzorky, rozbije sa celá vec. Ale vďaka starostlivým pozorovaniam počas týchto krátkych pulzov, Duffy a jeho kolegovia zistili hustoty a dokonca aj chemické štruktúry železa a ďalších molekúl pod predtým neslýchanými tlakmi.
Stále existuje veľa nezodpovedaných otázok, ale stav vedomostí v tejto oblasti sa rýchlo mení, uviedol Valencia. Napríklad prvý dokument o štruktúre super-zeme (ktorý Valencia publikoval vo februári 2007 v Astrofyzikálnom časopise ako postgraduálny študent na Harvarde) je zastaraný, pretože fyzici získali nové informácie o chemických látkach na našej planéte.
Odpoveď na tieto otázky je dôležitá, povedal Duffy, pretože nám môžu povedať, či vzdialené mimozemské svety majú vlastnosti ako dosková tektonika, tečúce magma a magnetické polia - a či teda môžu podporovať život.
