Mélyen a Föld bolygó belsejében van egy folyékony külső mag és a tömör belső mag amelyek ellentétesen forognak egymással. Ez létrehozza a dinamóhatást, amely a Föld bolygómágneses mezejének létrehozásáért felelős. Más néven a magnetoszféra , ez a mező stabilan tartja éghajlatunkat azáltal, hogy megakadályozza, hogy a Föld légköre az űrbe kerüljön. Tehát a sziklás exobolygók tanulmányozása során a tudósok természetesen azon tűnődnek, hogy van-e magnetoszférájuk is.
Sajnos, amíg nem tudjuk megmérni egy exobolygó mágneses tereit, kénytelenek vagyunk a rendelkezésre álló bizonyítékokból következtetni a létezésükre. Pontosan ezt teszik a kutatók Sandia National Laboratories tette vele Z Impulzusos tápegység (PPF). Partnereikkel együtt a Carnegie Tudományos Intézet , képesek voltak megismételni a „szuperföldek” gravitációs nyomását, hogy megnézzék, képesek-e mágneses teret generálni.
A kutatócsoportot vezette Yingwei Fei , egy geokémikus Carnegie-vel Föld és Bolygók Laboratórium (EPL), és Christopher T. Seagle , a Sandia National Laboratories (SNL) posztdoktori munkatársa és menedzsere. Számos kutató csatlakozott hozzá az EPL-től és az SNL-től. Eredményeiket egy nemrégiben publikált tanulmányban mutatták be Természeti kommunikáció .
A művész alkotása a Holdról a Föld magnetoszférájában, áramló oxigénionokból (szürke) és hidrogénionokból (világoskék) álló „földi széllel”. Köszönet: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS
Amikor a bolygók lakhatóságáról van szó, a tudósok kénytelenek az úgynevezett „alacsonyan csüngő gyümölcs” megközelítést alkalmazni. Ez azt jelenti, hogy a Földhöz hasonló bolygókat kell keresni, ami lényegében nitrogénből, oxigénből, szén-dioxidból, metánból és egyéb gázokból álló, sűrű atmoszférájú sziklás bolygókat jelent. Egy másik kulcsfontosságú szempont az, hogy egy bolygó kering-e szülőcsillagának lakható zónájában (HZ) vagy sem.
Az ezen a tartományon belül keringő bolygók hőmérséklete elég meleg ahhoz, hogy folyékony víz maradjon a felszínükön. A tudósok azonban az elmúlt években megállapították, hogy a geológiai tevékenység szintén fontos tényező a Föld lakhatóságának megőrzésében. Ahogy Richard Carlson, a Föld és Bolygók Laboratóriumának igazgatója kifejtette a Carnegie Science című lapban sajtóközlemény :
„Bár egy exobolygó légköri összetételének megfigyelése lesz az első módja annak, hogy a Földön túli élet nyomait keressük, a bolygó felszíni lakhatóságának számos aspektusát befolyásolja az, ami a bolygó felszíne alatt történik, és ez az a pont, ahol Carnegie kutatójának hosszú távú szakértelme a bolygó tulajdonságait illetően. szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson sziklás anyagok jönnek be.”
Az elmúlt években az exobolygó-felmérések eredményeként nem kevesebb, mint 4341 exobolygót fedeztek fel 3216 rendszerben (további 5742 jelölt vár megerősítésre). A megerősítettek közül egy robusztus 1340-et sziklás bolygóként azonosítottak, amelyek tömege sokszorosa a Földnek, és akár 8-szor akkora – innen ered a „szuperföld” elnevezés.
A Sandia National Laboratories Z gépe. Forrás: SNL/Randy Montoya
„Az ilyen mérések elvégzésének képessége döntő fontosságú a bolygónk tömegének nyolcszorosát meghaladó szuperföldek belső szerkezetének megbízható modelljeinek kidolgozásához” – tette hozzá Fei. 'Ezek az eredmények nagymértékben befolyásolják a megfigyelési adatok értelmezésének képességét.'
„Az előttünk álló kérdés az, hogy ezek közül a szuperbolygók közül bármelyik valóban Földhöz hasonló-e, aktív geológiai folyamatokkal, légkörrel és mágneses terekkel” – mondta Joshua Townsend, a Sandia fizikusa és a cikk társszerzője egy friss SNL-ben. sajtóközlemény . Más szóval, ezek az egzotikus és hatalmas sziklás bolygók képesek fenntartani az általunk ismert életet?
Az új-mexikói Albuquerque állambeli Sandia National Laboratories szívében található Z PPF speciális műszerekre – például a többüllős készülékre, a dugattyús hengerre és a gyémánt üllőcellára – támaszkodik, hogy szimulálja a magas nyomást és hőmérsékletet bolygó belseje. Ennek során képesek mérni az exobolygók fizikai tulajdonságait és utánozni gravitációs környezetüket.
Tanulmányuk kedvéért a Carnegie/SNL csapata megismételte a „szuperföldek” gravitációs nyomását oly módon, hogy a bridgmanitra (más néven magnézium-szilikátra) óriási gravitációs nyomást alkalmaztak szinte azonnali módon. Ez az ásvány a legelterjedtebb anyag a sziklás bolygók belsejében, és egy szuperföld köpenyanyagának szimulálására használták.
A művész benyomása a Föld belső szerkezetéről. Köszönetnyilvánítás: Argonne National Labs
Azáltal, hogy a bridgmanitot a Z gép által generált hipersebességű lökéshullámoknak tették ki, a csapat képes volt újra létrehozni a szuperföldi belső terhelést. Ilyen körülmények között a csapat megállapította, hogy a bridgmanitnak nagyon magas olvadáspontja van, aminek komoly következményei lehetnek a szuperföldek belső dinamikájára.
Amint azt tanulmányukban jelezték, bizonyos termikus evolúciós forgatókönyvek esetén a hatalmas kőzetbolygók evolúciójuk korai szakaszában termikusan vezérelt geodinamót alakíthatnak ki. Ez a dinamóhatás azonban megszűnhet, ha a bolygó belsejének lehűlése lelassul, majd a könnyebb elemek mozgása és a belső mag kikristályosodása miatt újra beindulhat.
A kísérletek lehetővé tették egy adattáblázat létrehozását is, amely megmutatta, hogyan változik a bolygó belsejének állapota (szilárd, folyékony vagy gáznemű) a nyomás, a hőmérséklet és a sűrűség viszonyaitól függően (és mennyi ideig). Mint Fei magyarázta az SNL kiadásán keresztül:
„Ahhoz, hogy olyan modelleket építsünk, amelyek lehetővé teszik a szuperföldek belső dinamikájának és szerkezetének megértését, olyan adatokat kell tudnunk venni a mintákból, amelyek megközelítik az ott fellelhető körülményeket, amelyek a légköri nyomás 14 milliószorosát is meghaladhatják. Mindazonáltal folyamatosan korlátokba ütköztünk, amikor ezeket a feltételeket megteremtettük a laborban.”
A művész benyomása egy Nap-szerű csillag körül keringő szuperföldi bolygóról. Hitel: ESO/M. Kornmesser
'Z egy olyan egyedülálló eszközt biztosított együttműködésünkhöz, amelyet semmilyen más technika nem tud felmutatni, hogy felfedezhessük a szuperföldek belsejének extrém körülményeit' tette hozzá , a Carnegie Science kiadásán keresztül. „A gép példátlanul jó minőségű adatai kritikus fontosságúak voltak a szuperföldekkel kapcsolatos ismereteink bővítésében.”
A szuper-föld belsejének állapotáról végzett elemzésük alapján a csapat hét olyan bolygót tartalmazó listát is készített, amelyek további tanulmányozásra érdemesek. Ezek közé tartozik az 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 b és HD-219134 b. Ahogy Seagle, aki kezdetben javasolta ezeket a kísérleteket Fei-vel, mondott :
„Ezeket a bolygókat, amelyekről azt találtuk, hogy nagy valószínűséggel támogatják az életet, azért választottuk ki további tanulmányozásra, mert vasban, szilikátokban és illékony gázokban hasonló arányban vannak a Földhöz viszonyítva, valamint a belső hőmérsékletük kedvező a mágneses mezők fenntartására a napszél elleni védelem érdekében. ”
A szuperföldek azért váltak az érdeklődés középpontjába, mert nagyobb méretük és tömegük azt jelenti, hogy nagy gravitációs nyomást fejtenek ki. Ennek eredményeként ezek a bolygók valószínűleg hosszabb ideig megtartják légkörüket, így biztosítva, hogy az élet nagyobb eséllyel bukkanjon fel és fejlődjön összetettebb állapotba.
A szuper-Earth GJ 625 b és csillaga, a GJ625 (Gliese 625) művészi kivitele. Köszönetnyilvánítás: Gabriel Pérez/SMM (IAC)
Jelentős tömegük azt is jelenti, hogy a belső nyomás- és hőmérsékleti viszonyok nagyobb valószínűséggel eredményeznek geodinamót. Ahogy Townsend kifejtette, a Föld és a Mars közötti kontraszt jól illusztrálja ennek működését. 'Mivel a Mars kisebb volt, kezdetben gyengébb volt a gravitációs tere' - mondta. 'Azután, ahogy a magja gyorsan lehűlt, elvesztette mágneses terét, és légköre ezt követően megfosztotta.'
Nem titok, hogy az exobolygó-kutatás területe ugrásszerűen fejlődött az elmúlt néhány évtizedben. Az elkövetkező években a következő generációs műszerek az űrbe kerülnek, vagy itt, a Földön működnek. Erre számítva a tudósok szorgalmasan dolgoznak azon modellek, módszerek és keretrendszerek kidolgozásán, amelyek lehetővé teszik a gyorsabb jellemzést.
Ezek nemcsak megmondják a csillagászoknak, hogy hol kell keresniük, hanem segítenek a csillagászoknak felismerni azokat az árulkodó jeleket, amelyek az élet jelenlétét jelezhetik (más néven biosignatures). A Földön túli élet keresése kemény és folyamatos volt eddig is, és valószínűleg mindig is az lesz. De ez is sokkal izgalmasabb lesz, és hamarosan!
További irodalom: SNL , Carnegie Tudomány , Természeti kommunikáció