Все мы знаем, что такое вода. А что такое рок. Разница кристально очевидна. Что ж, это здесь, на Земле.
Но в других мирах? Разница может быть не такой очевидной.
Среди сотен миллиардов звезд в Млечном Пути есть неизвестно сколько экзопланет. Некоторое количество из них будут океанскими мирами, полностью покрытыми водой с небольшими массами суши или вообще без них. И большинство из них, вероятно, будут намного больше Земли. По словам ученых, на этих планетах могут находиться океаны толщиной до 1000 км, и вся эта вода давит на скалистую мантию.
У ученых есть множество вопросов об этом типе планет. Может ли в этих мирах развиваться жизнь? Если да, то что за жизнь? Может ли мир такого типа поддерживать жизнь, или же он окажется важной частью мира? биогеохимия , как здесь, на Земле?
Команда исследователей во главе с Университетом штата Аризона хотела больше, чем просто думать о них. Стремясь лучше понять эти миры и добиться прогресса в решении этих вопросов, они воссоздали водный мир в своей лаборатории. Вроде, как бы, что-то вроде.
Художественная иллюстрация экзопланеты Кеплер 62f. Он находится в обитаемой зоне своей звезды и является супер-Землей. Ученые не уверены, но это может быть водный мир. Изображение предоставлено 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
Результаты их работы только что были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Заголовок статьи: « Большой H2Растворимость O в плотном кремнеземе и ее значение для недр богатых водой планет . » Ведущий автор - Дэн Шим, доцент АГУ и руководитель Лаборатория Земли и планетных материалов .
Команда исследователей использовала Продвинутый источник фотонов лаборатория Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Это может показаться неуместным - использовать рентгеновскую лабораторию для изучения планет, - но это сработало. Как сказал ведущий автор Дэн Шим в пресс-релизе: «Люди почти не думают об астрофизике, когда говорят о рентгеновской установке. Но мы можем использовать такое средство, как APS, чтобы понять объект, который находится слишком далеко, чтобы мы могли его увидеть ».
«Если бы вы построили планету из воды и камней, вы бы предположили, что вода образует слой над скалой».
Дэн Шим, ведущий автор, Государственный университет Аризоны
В лаборатории исследователи воссоздали экстремальные свойства больших океанических миров. У этих планет могут быть каменные мантии с огромным количеством воды над ними, давящей на них с сильным давлением. Это сокрушительное давление также создает сильный жар.
«Определить геологию экзопланет сложно, поскольку мы не можем использовать телескопы или отправлять марсоходы на их поверхность», - сказал Шим. «Поэтому мы пытаемся смоделировать геологию в лаборатории».
Команда поместила образцы диоксида кремния или диоксида кремния между специальными алмазами в устройство, называемое ячейка с алмазной наковальней . Затем они сжали образцы до чрезвычайно высокого давления, имитируя ситуацию, в которой оказываются скалистые мантии на больших океанских планетах. Затем они подвергли образцы воздействию инфракрасных лазеров.
«Мы можем поднять давление до нескольких миллионов атмосфер», - сказал Юэ Мэн, физик из отдела рентгеновских исследований Аргонны и соавтор статьи. Мэн был одним из главных разработчиков методов, используемых в HPCAT, которая специализируется на экспериментах с высоким давлением и высокой температурой.
Схема ячейки с алмазной наковальней. Команда зажала образцы кремнезема между алмазами, чтобы имитировать давление, оказываемое на скалистые мантии океанических миров. Затем они нагрели образец лазерными лучами, чтобы смоделировать диапазон температур. Кредит изображения: Аргоннская национальная лаборатория. Кредит Аргоннской национальной лаборатории. Attribution-NonCommercial-NoDerivs 2.0 Generic (CC BY-NC-ND 2.0)
«APS - одно из немногих мест в мире, где можно проводить такие передовые исследования», - сказала она. «Ученые, техники и инженеры, работающие с лучевой техникой, делают это исследование возможным».
Хотя мы не знаем многих конкретных характеристик больших океанических миров, ученые могут рассчитать их давление. После того, как образцы были доведены до давления мирового океана, они были подвергнуты воздействию лазеров, которые нагревают образец до температур, характерных для каменистых мантий этих планет, под всей этой водой. Это давление довольно сильно различается в зависимости от таких вещей, как возраст планеты и количество нагрев радиоактивного распада . Таким образом, команда рассчитала диапазон температур для своих экспериментов.
«Мы можем довести образец до тысячи градусов по Фаренгейту», - сказал Виталий Пракапенка, ученый-исследователь в GSECARS, профессор-исследователь Чикагского университета и соавтор статьи. «У нас есть два мощных лазера, которые освещают образец с обеих сторон, точно выровненные со сверхъярким рентгеновским датчиком APS, и измеряют температуру вдоль оптических путей с субмикронной точностью».
Итак, что же обнаружили исследователи, подвергнув образцы диоксида кремния воздействию этих экстремальных давлений и температур?
«Раньше мы полагали, что существует разделение между камнями и водой, но, основываясь на этих исследованиях, нет четкой границы».
Виталий Пракапенко, соавтор исследования, ученый, работающий с лучевыми линиями, и профессор-исследователь, Чикагский университет
Когда они подвергли образцы воздействию высоких температур и давления в 30 гигапаскалей, что примерно в 300 000 раз превышает давление на уровне поверхности Земли, вода и кремнезем слились.
Они обнаружили новую переходную фазу между кремнеземом и водой, что указывает на то, что граница между водой и камнем на этих экзопланетах не такая прочная, как здесь, на Земле. Это поразительное открытие изменит отношение ученых к экзопланетам и их моделирование.
«Если бы вы построили планету из воды и скал, вы бы предположили, что вода образует слой над скалой», - сказал он. «Мы обнаружили, что это не обязательно правда. При достаточном количестве тепла и давления граница между камнем и водой становится размытой ».
Это означает, что пора обновить наши модели экзопланет.
«Главное, что это говорит людям, моделирующим структуру этих планет, что состав более сложен, чем мы думали», - сказал Виталий Пракапенко, ученый-исследователь из GSECARS, профессор-исследователь Чикагского университета и соавтор. на бумаге. «Раньше мы полагали, что существует разделение между камнями и водой, но, основываясь на этих исследованиях, нет четкой границы».
Фактически, этот новый материал может доминировать в океанских мирах.
«Следовательно, физические свойства новых фаз, о которых мы здесь сообщаем, будут важны для понимания динамики, геохимического цикла и генерации динамо на богатых водой планетах».
Из бумаги «Большая H»2Растворимость O в плотном кремнеземе и ее значение для недр богатых водой планет ».
«Наши результаты показывают, что фазы, содержащие как водород, так и литофильные элементы, могут быть доминирующими материалами в недрах богатых водой планет», - пишут авторы в своем исследовании. «Даже в случае полностью слоистых материалов из-за большой взаимной растворимости граница между слоями породы и льда может стать нечеткой. Следовательно, физические свойства новых фаз, о которых мы сообщаем здесь, будут важны для понимания динамики, геохимического цикла и генерации динамо на богатых водой планетах ».
Это важная работа. Когда дело доходит до жизни на Земле, взаимодействие воды и горных пород огромно. Так что же будет означать это открытие для будущего?
«Это отправная точка для построения того, как химия работает на этих планетах», - сказал Шим. «То, как вода взаимодействует с камнями, важно для жизни на Земле, и, следовательно, также важно понимать, какой тип жизни может существовать в некоторых из этих миров».
Более:
- Пресс-релиз: Под поверхностью водных миров нашей галактики
- Исследовательская работа: Большой H2Растворимость O в плотном кремнеземе и ее значение для недр богатых водой планет
- Разговор: Поиск внеземной жизни в водных мирах недалеко от дома
- Вселенная сегодня: 3 миллиарда лет назад мир мог быть водным миром без каких-либо континентов