Vsi vemo, kaj je voda. In kaj je rock. Razlika je kristalno jasna. No, tukaj na Zemlji je.
Toda na drugih svetovih? Razlika morda ni tako jasna.
Med stotimi milijardami zvezd v Rimski cesti je kdo-ve-koliko eksoplanetov. Nekatere izmed njih bodo oceanski svetovi, popolnoma pokriti z vodo z malo ali brez kopenskih mas. In večina jih bo verjetno veliko večja od Zemlje. Ti planeti lahko po mnenju znanstvenikov gostijo oceane do 1000 km debele in vsa ta voda pritiska na kamniti plašč.
Znanstveniki imajo veliko vprašanj o tovrstnih planetih. Ali bi se lahko na teh svetovih razvilo življenje? Če je tako, kakšno življenje? Ali bi ta tip sveta sploh lahko podpiral življenje ali je izpostavljeno kopno kritični del sveta biogeokemija , kot tukaj na Zemlji?
Skupina raziskovalcev pod vodstvom Arizonske državne univerze je želela narediti več kot le razmišljati o njih. V prizadevanju, da bi bolje razumeli te svetove in naredili nekaj napredka pri teh vprašanjih, so v svojem laboratoriju poustvarili vodni svet. Nekako.
Umetnikova ilustracija eksoplaneta Kepler 62f. Je v bivalnem območju svoje zvezde in je super-Zemlja. Znanstveniki niso prepričani, a morda gre za vodni svet. Zasluge slike: NASA Ames/JPL-Caltech – http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-morningstar.html, javna domena, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=25659816
Rezultati njihovega dela so bili pravkar objavljeni v Zborniku Nacionalne akademije znanosti ZDA. Naslov prispevka je ' Velika H2O topnost v gostem silicijevem dioksidu in njene posledice za notranjost planetov, bogatih z vodo .” Glavni avtor je Dan Shim, izredni profesor na ASU in vodja univerze Laboratorij za Zemljo in planetarne materiale .
Skupina raziskovalcev je uporabila Napredni vir fotonov laboratorij v nacionalnem laboratoriju Argonne Ministrstva za energijo. To se morda zdi neskladno – uporaba rentgenskega laboratorija za preučevanje planetov – vendar je delovalo. Kot je v sporočilu za javnost dejal glavni avtor Dan Shim: »Ljudje skoraj ne razmišljajo o astrofiziki, ko govorijo o rentgenskem objektu. Lahko pa uporabimo napravo, kot je APS, da razumemo predmet, ki je preveč oddaljen, da bi ga lahko videli.'
'Če bi zgradili planet iz vode in kamnin, bi domnevali, da voda tvori plast nad kamnino.'
Dan Shim, glavni avtor, Arizona State University
V laboratoriju so raziskovalci ponovno ustvarili ekstremne lastnosti velikih oceanskih svetov. Ti planeti imajo lahko kamnite plašče z ogromnimi količinami vode nad njimi, ki pritiskajo nanje z intenzivnim pritiskom. Ta tlačni pritisk ustvarja tudi močno toploto.
'Določanje geologije eksoplanetov je težko, saj ne moremo uporabljati teleskopov ali pošiljati roverjev na njihove površine,' je dejal Shim. 'Zato poskušamo simulirati geologijo v laboratoriju.'
Ekipa je med posebne diamante v napravo, imenovano diamantno nakovalo celico . Nato so vzorce stisnili na izjemno visoke pritiske in simulirali situacijo, v kateri se znajdejo skalnati plašči na velikih oceanskih planetih. Nato so vzorce podvrgli infrardečim laserjem.
'Tlak lahko dvignemo na več milijonov atmosfer,' je dejal Yue Meng, fizik v Argonnovem oddelku za rentgenske znanosti in soavtor članka. Meng je bil eden glavnih oblikovalcev tehnik, ki se uporabljajo pri HPCAT, ki je specializiran za visokotlačne in visokotemperaturne eksperimente.
Diagram celice diamantnega nakovala. Ekipa je stisnila svoje vzorce silicijevega dioksida med diamanti, da bi simulirala pritisk na skalnate plašče na oceanskih svetovih. Nato so vzorec segreli z laserskimi žarki, da so simulirali razpon temperatur. Zasluge za sliko: Nacionalni laboratorij Argonne. Credit Argonne National Laboratory. Attribution-Nekomercialno-NoDerivs 2.0 Generic (CC BY-NC-ND 2.0)
»APS je eno redkih mest na svetu, kjer lahko izvajate tovrstne vrhunske raziskave,« je dejala. 'Znanstveniki, tehniki in inženirji z snopa žarka omogočajo to raziskavo.'
Čeprav ne poznamo veliko posebnih značilnosti velikih oceanskih svetov, lahko znanstveniki izračunajo njihove pritiske. Ko so bili vzorci dvignjeni na pritisk v oceanskem svetu, so jih izpostavili laserjem, ki segrejejo vzorec do temperatur, ki jih najdemo na skalnatih plaščih teh planetov, pod vso to vodo. Ti pritiski se precej razlikujejo glede na stvari, kot sta starost planeta in količina segrevanje z radioaktivnim razpadom . Tako je ekipa izračunala razpon temperatur za svoje poskuse.
'Vzorec lahko dvignemo na tisoče stopinj Fahrenheita,' je dejal Vitali Prakapenka, znanstvenik na GSECARS, raziskovalni profesor na Univerzi v Chicagu in soavtor članka. 'Imamo dva laserja velike moči, ki sijeta na vzorec z obeh strani, natančno poravnana z ultra-svetlo APS rentgensko sondo in meritve temperature vzdolž optičnih poti s submikronsko natančnostjo.'
Kaj so torej ugotovili raziskovalci, ko so vzorce silicijevega dioksida izpostavili tem ekstremnim tlakom in temperaturam?
'Prej smo verjeli, da obstaja ločitev med kamnino in vodo, vendar na podlagi teh študij ni ostre meje.'
Vitali Prakapenka, soavtor študije, znanstvenik za snop in raziskovalni profesor, Univerza v Chicagu
Ko so vzorce izpostavili visokim temperaturam in tlakom 30 gigapascalov, kar je približno 300.000-krat večji pritisk kot na površini Zemlje, sta se voda in silicijev dioksid združili.
Odkrili so novo prehodno fazo med silicijem in vodo, kar kaže, da meja med vodo in kamnino na teh eksoplanetih ni tako trdna, kot je tukaj na Zemlji. To osupljivo odkritje bo spremenilo, kako znanstveniki razmišljajo o eksoplanetih in kako jih modelirajo.
'Če bi zgradili planet iz vode in kamnin, bi domnevali, da voda tvori plast nad kamnino,' je dejal. 'To, kar smo ugotovili, ni nujno res. Z dovolj toplote in pritiska postane meja med kamnino in vodo mehka.'
To pomeni, da je čas za posodobitev naših modelov eksoplanetov.
»Glavna poanta je, da ljudem, ki modelirajo strukturo teh planetov, pove, da je sestava bolj zapletena, kot smo mislili,« je dejal Vitali Prakapenka, znanstvenik za žarke pri GSECARS, profesor raziskav na Univerzi v Chicagu in soavtor na papirju. 'Prej smo verjeli, da obstaja ločitev med kamnino in vodo, vendar na podlagi teh študij ni ostre meje.'
Pravzaprav bi ta novi material lahko prevladoval v oceanskih svetovih.
'Zato bi bile fizikalne lastnosti novih faz, o katerih poročamo tukaj, pomembne za razumevanje dinamike, geokemičnega cikla in generacije dinamo na planetih, bogatih z vodo.'
Iz papirja »Veliki H2O topnost v gostem silicijevem dioksidu in njene posledice za notranjost planetov, bogatih z vodo.
'Naši rezultati kažejo, da bi lahko bile faze, ki vsebujejo vodik in litofilne elemente, prevladujoči materiali v notranjosti planetov, bogatih z vodo,' pišejo avtorji v svoji študiji. 'Tudi pri popolnoma večplastnih primerih bi lahko zaradi velike medsebojne topnosti meja med plastmi kamnin in ledu postala mehka. Zato bi bile fizikalne lastnosti novih faz, o katerih poročamo tukaj, pomembne za razumevanje dinamike, geokemičnega cikla in generacije dinamo na planetih, bogatih z vodo.
To je kritično delo. Način interakcije vode in kamnin je ogromen, ko gre za življenje na Zemlji. Kaj bo torej to odkritje pomenilo za prihodnost?
'To je izhodišče za izgradnjo načina, kako kemija deluje na teh planetih,' je dejal Shim. 'Kako voda komunicira s kamnino, je pomembno za življenje na Zemlji, zato je pomembno tudi razumevanje vrste življenja, ki bi lahko obstajalo na nekaterih od teh svetov.'
Več:
- Izjava za javnost: Pod površjem vodnih svetov naše galaksije
- Raziskovalna naloga: Velika H2O topnost v gostem silicijevem dioksidu in njene posledice za notranjost planetov, bogatih z vodo
- Pogovor: Iskanje nezemeljskega življenja v vodnih svetovih blizu doma
- Vesolje danes: Pred 3 milijardami let je bil svet morda vodni svet brez celin
