Para medir estructuras cristalinas a escala atómica a alta presión y temperatura, una celda de yunque de diamante con una muestra se alinea con un haz de rayos X (línea azul) y rayos láser (áreas naranjas). Los rayos láser calientan la muestra a miles de kelvin de temperatura. El pequeño rectángulo rojo / gris intercalado entre yunques de diamantes es la muestra. Crédito:Dan Shim / ASU
Las observaciones astrofísicas han demostrado que los exoplanetas ricos en agua similares a Neptuno son comunes en nuestra galaxia. Se cree que estos "mundos acuáticos" están cubiertos por una gruesa capa de agua, cientos a miles de millas de profundidad, sobre un manto rocoso.
Si bien los exoplanetas ricos en agua son comunes, su composición es muy diferente a la de la Tierra, por lo que hay muchas incógnitas en términos de la estructura de estos planetas, composición y ciclos geoquímicos.
Al buscar aprender más sobre estos planetas, un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad Estatal de Arizona, ha proporcionado uno de los primeros estudios de laboratorio de mineralogía para exoplanetas ricos en agua. Los resultados de su estudio se han publicado recientemente en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
"El estudio de las reacciones y los procesos químicos es un paso esencial hacia el desarrollo de una comprensión de estos tipos de planetas comunes, "dijo el coautor Dan Shim, de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU.
La conjetura científica general es que el agua y la roca forman capas separadas en el interior de los mundos acuáticos. Porque el agua es más ligera debajo de la capa de agua en planetas ricos en agua, debe haber una capa rocosa. Sin embargo, la presión y temperatura extremas en el límite entre el agua y las capas rocosas podrían cambiar fundamentalmente el comportamiento de estos materiales.
Para simular esta alta presión y temperatura en el laboratorio, La autora principal y científica investigadora Carole Nisr llevó a cabo experimentos en el laboratorio de Shim para materiales terrestres y planetarios en ASU utilizando celdas de yunque de diamante de alta presión.
En una celda de yunque de diamante, Dos diamantes monocristalinos de calidad gema se forman en yunques (parte superior plana en la foto) y luego se enfrentan entre sí. Las muestras se cargan entre los culets (superficies planas), luego, la muestra se comprime entre los yunques. Crédito:Dan Shim / ASU
Para su experimento, el equipo sumergió sílice en agua, comprimió la muestra entre diamantes a una presión muy alta, luego calentó la muestra con rayos láser a más de unos pocos miles de grados Fahrenheit.
El equipo también llevó a cabo un calentamiento por láser en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois. Para controlar la reacción entre la sílice y el agua, Se tomaron medidas de rayos X mientras el láser calentaba la muestra a altas presiones.
Lo que encontraron fue una nueva fase sólida inesperada con silicio, hidrógeno y oxígeno todos juntos.
"Originalmente, se pensaba que las capas de agua y roca en planetas ricos en agua estaban bien separadas, ", Dijo Nisr." Pero descubrimos a través de nuestros experimentos una reacción previamente desconocida entre el agua y la sílice y la estabilidad de una fase sólida aproximadamente en una composición intermedia. La distinción entre agua y roca parecía ser sorprendentemente 'difusa' a alta presión y alta temperatura ".
Los investigadores esperan que estos hallazgos hagan avanzar nuestro conocimiento sobre la estructura y composición de los planetas ricos en agua y sus ciclos geoquímicos.
"Nuestro estudio tiene importantes implicaciones y plantea nuevas preguntas sobre la composición química y la estructura del interior de los exoplanetas ricos en agua". ", Dijo Nisr." El ciclo geoquímico de los planetas ricos en agua podría ser muy diferente al de los planetas rocosos, como la Tierra ".
