Hluboko uvnitř planety Země existuje tekuté vnější jádro a pevné vnitřní jádro které se vzájemně protisměrně otáčejí. To vytváří efekt dynama, který je zodpovědný za generování planetárního magnetického pole Země. Také známý jako a magnetosféra Toto pole udržuje naše klima stabilní tím, že zabraňuje ztrátě zemské atmosféry ve vesmíru. Při studiu skalních exoplanet se tedy vědci přirozeně ptají, zda i ony mají magnetosféry.
Bohužel, dokud nebudeme schopni změřit magnetická pole exoplanety, jsme nuceni jejich existenci odvodit z dostupných důkazů. To je přesně to, co výzkumníci na Sandia National Laboratories udělal s jeho Zařízení pulzního napájení Z (PPF). Spolu se svými partnery na Carnegieho institut pro vědu , byli schopni replikovat gravitační tlaky „Super-Zemí“, aby zjistili, zda dokážou generovat magnetická pole.
Výzkumný tým vedl o Yingwei Fei , geochemik s Carnegie's Laboratoř Země a planet (EPL) a Christopher T. Seagle , postdoktorand a manažer v Sandia National Laboratories (SNL). Připojilo se k němu několik výzkumníků z EPL a SNL. Jejich zjištění byla prezentována ve studii, která byla nedávno zveřejněna v Příroda komunikace .
Umělcovo zobrazení Měsíce v zemské magnetosféře se „Zemním větrem“ tvořeným proudícími ionty kyslíku (šedá) a vodíkovými ionty (světle modrá). Kredit: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS
Pokud jde o měření obyvatelnosti planet, jsou vědci nuceni zvolit přístup, který je známý jako „nízko visící ovoce“. To znamená hledat planety, které jsou podobné Zemi, což v podstatě znamená kamenné planety s hustou atmosférou složenou z dusíku, kyslíku, oxidu uhličitého, metanu a dalších plynů. Dalším klíčovým faktorem je, zda planeta obíhá v obyvatelné zóně (HZ) své mateřské hvězdy.
Planety, které obíhají v tomto rozsahu, zažijí teploty dostatečně teplé na to, aby udržely na svém povrchu kapalnou vodu. Jak však vědci v posledních letech poznamenali, geologická aktivita je také hlavním faktorem pro udržení obyvatelnosti Země. Jak vysvětlil Richard Carlson, ředitel laboratoře Země a planet v Carnegie Science tisková zpráva :
„Přestože pozorování složení atmosféry exoplanet bude prvním způsobem, jak hledat známky života mimo Zemi, mnoho aspektů obyvatelnosti povrchu planety je ovlivněno tím, co se děje pod povrchem planety, a to je místo, kde má výzkumník Carnegie dlouholeté zkušenosti s vlastnostmi planety. přicházejí kamenné materiály pod extrémními teplotami a tlaky.“
V posledních letech vedly průzkumy exoplanet k objevu ne méně než 4 341 exoplanet v 3 216 systémech (s dalšími 5 742 kandidáty čeká na potvrzení). Z těch potvrzených bylo robustních 1340 identifikováno jako kamenné planety, které jsou mnohonásobkem hmotnosti Země a až 8krát větší – odtud označení „Super-Země“.
Stroj Z Sandia National Laboratories. Kredity: SNL/Randy Montoya
'Schopnost provádět tato měření je zásadní pro vývoj spolehlivých modelů vnitřní struktury superzemí až do osminásobku hmotnosti naší planety,' dodal Fei. 'Tyto výsledky budou mít hluboký dopad na naši schopnost interpretovat pozorovaná data.'
'Otázkou před námi je, zda některá z těchto superplanet je skutečně podobná Zemi, s aktivními geologickými procesy, atmosférou a magnetickými poli,' řekl Joshua Townsend, fyzik ze Sandie a spoluautor článku v nedávném SNL. tisková zpráva . Jinými slovy, jsou tyto exotické a masivní kamenné planety schopny podporovat život, jak jej známe?
Z PPF se nachází v srdci Sandia National Laboratories v Albuquerque v Novém Mexiku a spoléhá na speciální nástroje – jako je multi-kovadlinový přístroj, pístový válec a diamantový kovadlinový článek – k simulaci podmínek vysokého tlaku a teploty v vnitřek planety. Přitom jsou schopni měřit fyzikální vlastnosti exoplanet a napodobovat jejich gravitační prostředí.
V zájmu své studie tým Carnegie/SNL replikoval gravitační tlaky „Super-Zemí“ aplikací ekvivalentu obrovských gravitačních tlaků na bridgmanit (aka křemičitan hořečnatý) téměř okamžitě. Tento minerál je nejrozšířenějším materiálem v nitru kamenných planet a byl použit k simulaci materiálu pláště super-Země.
Umělecký dojem z vnitřní struktury Země. Kredit: Argonne National Labs
Tím, že byl bridgmanit vystaven hyperrychlostním rázovým vlnám generovaným strojem Z, byl tým schopen znovu vytvořit tlaky reprezentující vnitřek superzemě. Za těchto podmínek tým zjistil, že bridgmanit má velmi vysoký bod tání, což je zjištění, které by mohlo mít vážné důsledky pro vnitřní dynamiku superzemí.
Jak naznačili ve své studii, za určitých tepelných evolučních scénářů by masivní kamenné planety mohly vyvinout tepelně poháněné geodynamo na počátku svého vývoje. Tento efekt dynama však může zmizet, když se ochlazování nitra planety zpomalí, aby se pak znovu nastartovalo v důsledku pohybu lehčích prvků a krystalizace vnitřního jádra.
Experimenty také umožnily vytvořit datovou tabulku, která ukázala, jak se bude stav vnitřku planety (pevné, kapalné nebo plynné) měnit v závislosti na tlaku, teplotě a hustotě (a na jak dlouho). Jako Fei vysvětlil prostřednictvím vydání SNL:
„Abychom mohli sestavit modely, které nám umožní porozumět vnitřní dynamice a struktuře superzemí, musíme být schopni vzít data ze vzorků, které se přibližují podmínkám, které by se tam nacházely a které by mohly překročit 14milionkrát atmosférický tlak. Při vytváření těchto podmínek v laboratoři jsme však stále naráželi na omezení.“
Umělcova představa planety Super-Země obíhající kolem hvězdy podobné Slunci. Kredit: ESO/M. Kornmesser
„Z poskytl naší spolupráci jedinečný nástroj, kterému se žádná jiná technika nevyrovná, abychom mohli prozkoumat extrémní podmínky vnitřků superzemí,“ řekl. přidal , prostřednictvím vydání Carnegie Science. „Nebývale vysoká kvalita dat tohoto stroje byla zásadní pro rozvoj našich znalostí o super-Zemích.“
Na základě své analýzy stavu nitra superzemě tým také vytvořil seznam sedmi planet, které by mohly být hodny dalšího studia. Patří mezi ně 55 Cancri e, Kepler-10b, Kepler-36b, Kepler-80e, Kepler-93b, CoRoT-7b a HD-219134b. Jako Seagle, který původně navrhoval tyto experimenty s Fei, řekl :
'Tyto planety, u kterých jsme zjistili, že s největší pravděpodobností podporují život, byly vybrány pro další studium, protože mají podobné poměry jako Země v železe, silikátech a těkavých plynech, kromě vnitřních teplot, které přispívají k udržení magnetických polí pro ochranu před slunečním větrem.' “
Superzemě se staly středem zájmu, protože jejich větší velikost a hmotnost znamená, že na ně působí velké gravitační tlaky. V důsledku toho si tyto planety pravděpodobně udrží svou atmosféru po delší dobu, což zajistí, že život bude mít větší šanci na vznik a vývoj do většího stavu složitosti.
Umělecký design super-Země GJ 625 b a její hvězdy GJ625 (Gliese 625). Kredit: Gabriel Pérez/SMM (IAC)
Jejich značná hmotnost také znamená, že tlakové a teplotní podmínky v jejich útrobách s větší pravděpodobností povedou ke geodynamu. Jak Townsend vysvětlil, kontrast mezi Zemí a Marsem ilustruje, jak to funguje. 'Protože byl Mars menší, měl zpočátku slabší gravitační pole,' řekl. 'Jak se jeho jádro rychle ochladilo, ztratilo své magnetické pole a jeho atmosféra byla následně odstraněna.'
Není žádným tajemstvím, že oblast výzkumu exoplanet se v posledních několika desetiletích rozrostla mílovými kroky. V nadcházejících letech se přístroje nové generace dostanou do vesmíru nebo začnou fungovat zde na Zemi. V očekávání toho vědci pilně pracují na vývoji modelů, metod a rámců, které umožní rychlejší charakterizaci.
Nejen, že astronomům řeknou, kde mají hledat, ale také pomohou astronomům rozpoznat výmluvné podpisy, které by mohly naznačovat přítomnost života (také znám jako biologické podpisy). Hledání života mimo Zemi bylo dosud těžké a trvalé a pravděpodobně vždy bude. Ale také to bude mnohem vzrušující a brzy!
Další čtení: SNL , Carnegie Science , Příroda komunikace
