Diep in het hart van buitenaardse werelden vormen kristallen zich onder een druk die tot 40 miljoen keer intenser is dan de atmosferische druk op aarde, en maar liefst 10 keer intenser dan de druk in de kern van onze planeet. Als u ze beter begrijpt, kan dat ons helpen zoeken naar leven elders in onze melkweg.
Op dit moment weten wetenschappers bijna niets over deze mysterieuze kristallen. Ze weten niet hoe en wanneer ze zich vormen, hoe ze eruit zien of hoe ze zich gedragen. Maar de antwoorden op die vragen kunnen enorme implicaties hebben voor de oppervlakken van die werelden - of ze nu bedekt zijn met stromend magma of ijs, of gebombardeerd worden met straling van hun gaststerren. Het antwoord zou op zijn beurt de mogelijkheid kunnen beïnvloeden dat deze planeten leven herbergen.
Het interieur van deze exoplaneten is voor ons mysterieus omdat in ons zonnestelsel planeten de neiging hebben klein of rotsachtig te zijn, zoals de aarde en Mars, of groot en gasachtig, zoals Saturnus en Jupiter. Maar de afgelopen jaren hebben astronomen ontdekt dat zogenaamde "superaarde's" - gigantische rotsplaneten - en "mini-Neptunussen" - kleinere gasplaneten dan in ons zonnestelsel voorkomen - vaker voorkomen in de rest van ons melkwegstelsel.
Omdat deze planeten alleen kunnen worden gezien als zwakke flikkeringen in het licht van hun gaststerren, blijft veel over hen mysterieus. Zijn ze super dicht of super breed? Waar zijn hun oppervlakken van gemaakt? Hebben ze magnetische velden? De antwoorden op die vragen, zo blijkt, hangen sterk af van hoe het gesteente en ijzer in hun ultra-onder druk staande kernen zich gedragen.
De grenzen van de huidige wetenschap
Op dit moment is ons begrip van exoplaneten voornamelijk gebaseerd op het omhoog of omlaag schalen van wat we weten over planeten in ons eigen zonnestelsel, zei Diana Valencia, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Toronto in Canada, die de maartvergadering van de Amerikaan belde Physical Society (APS) voor minerale natuurkundigen om deze exotische exoplanetaire materialen te verkennen.
Het probleem met de schaalvergrotende aanpak is dat je niet echt begrijpt hoe ijzer zich zal gedragen bij 10 keer de druk van de aardkern, gewoon door te vermenigvuldigen, zei ze. Bij die enorme druk veranderen de eigenschappen van chemicaliën fundamenteel.
'We zouden kristallen in superaarde verwachten die niet op aarde of ergens anders in de natuur voorkomen', zegt Lars Stixrude, een theoretisch mineraalfysicus aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, die dat heeft gedaan theoretisch basiswerk om de eigenschappen van deze extreme materialen te berekenen. 'Dit zouden unieke arrangementen zijn van de atomen die alleen onder zeer hoge druk bestaan.'
Deze verschillende arrangementen gebeuren, vertelde hij aan WordsSideKick.com, omdat enorme druk de manier waarop atomen aan elkaar binden fundamenteel verandert. Op het aardoppervlak en zelfs diep in onze planeet verbinden atomen zich met alleen de elektronen in hun buitenste schil. Maar bij superaardedruk raken elektronen dichter bij de atoomkern betrokken en veranderen de vormen en eigenschappen van materialen volledig.
En die chemische eigenschappen kunnen het gedrag van hele planeten beïnvloeden. Wetenschappers weten bijvoorbeeld dat superaardeën veel warmte vasthouden. Maar ze weten niet hoeveel - en het antwoord op die vraag heeft grote gevolgen voor de vulkanen en platentektoniek van die planeten. Bij interne druk van de aarde worden lichtere elementen vermengd met de ijzeren kern, wat het magnetische veld van de planeet beïnvloedt - maar dat gebeurt misschien niet bij hogere drukken. Zelfs de fysieke grootte van superaarde is afhankelijk van de kristalstructuur van verbindingen in hun kernen.
Maar zonder planeten van dit soort om van dichtbij in ons eigen zonnestelsel te bestuderen, aldus Valencia, moeten wetenschappers zich tot fysieke fysische berekeningen en experimenten wenden om dit soort vragen te beantwoorden. Maar die berekeningen leveren vaak open antwoorden op, zei Stixrude. Wat betreft de experimenten?
'Die druk en temperaturen zijn buiten het bereik van de meeste technologie en experimenten die we vandaag hebben', zei hij.
Bouwen van een superaarde op gewone aarde
Op aarde zijn de meest extreme druk-experimenten het verpletteren van kleine monsters tussen de geslepen punten van twee industriële diamanten.
Maar die diamanten hebben de neiging lang te versplinteren voordat ze de druk van de superaarde bereiken, zei Stixrude. Om de beperkingen van diamanten te omzeilen, wenden natuurkundigen zich tot experimenten met dynamische compressie, zoals uitgevoerd door de minerale natuurkundige Tom Duffy en zijn team aan de Princeton University.
Deze experimenten produceren meer superaardeachtige drukken, maar alleen voor fracties van een seconde.
"Het idee is, je bestraalt een monster met een zeer krachtige laser, en je verwarmt snel het oppervlak van dat monster en je blaast een plasma af", vertelde Duffy, die de APS-sessie voorzat waar Valencia sprak, WordsSideKick.com.
Bits van het monster, plotseling verwarmd, schieten van het oppervlak af, waardoor een drukgolf ontstaat die door het monster beweegt.
'Het lijkt echt op een raketeffect', zei Duffy.
De betrokken monsters zijn klein - bijna plat en ongeveer een millimeter vierkant in oppervlakte, zei hij. En het hele ding duurt een kwestie van nanoseconden. Wanneer de drukgolf de achterkant van het monster bereikt, breekt het hele ding. Maar door zorgvuldige observaties tijdens die korte pulsen, hebben Duffy en zijn collega's de dichtheden en zelfs de chemische structuren van ijzer en andere moleculen onder ongekende druk ontdekt.
Er zijn nog veel onbeantwoorde vragen, maar de kennis in het veld verandert snel, zei Valencia. Zo is het eerste artikel over de structuur van superaarde (Valencia dat in februari 2007 publiceerde in The Astrophysical Journal als afgestudeerde student aan Harvard) verouderd omdat natuurkundigen nieuwe informatie hebben verkregen over de chemicaliën op onze eigen planeet.
Het beantwoorden van deze vragen is belangrijk, zei Duffy, omdat ze ons kunnen vertellen of verre buitenaardse werelden kenmerken hebben zoals platentektoniek, stromend magma en magnetische velden - en dus of ze het leven kunnen ondersteunen.
