Más allá de nuestro sistema solar visible solo como el punto más pequeño en el espacio incluso con los telescopios más potentes, existen otros mundos. Muchos de estos mundos los astrónomos han descubierto, puede ser mucho más grande que la Tierra y estar completamente cubierto de agua, básicamente planetas oceánicos sin masas de tierra que sobresalgan. ¿Qué tipo de vida podría desarrollarse en un mundo así? ¿Podría un hábitat como este incluso albergar vida?

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Estatal de Arizona (ASU) se propuso recientemente investigar esas preguntas. Y como no podían viajar a exoplanetas distantes para tomar muestras, decidieron recrear las condiciones de esos mundos acuáticos en el laboratorio. En este caso, ese laboratorio era la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

Lo que encontraron, publicado recientemente en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias —Fue una nueva fase de transición entre la sílice y el agua, lo que indica que el límite entre el agua y la roca en estos exoplanetas no es tan sólido como lo es aquí en la Tierra. Este descubrimiento fundamental podría cambiar la forma en que los astrónomos y astrofísicos han estado modelando estos exoplanetas. e informar la forma en que pensamos sobre la evolución de la vida en ellos.

Dan Shim, profesor asociado en ASU, dirigió esta nueva investigación. Shim dirige el Laboratorio de Materiales Planetarios y Terrestres de ASU y durante mucho tiempo ha estado fascinado por la estructura geológica y ecológica de estos mundos distantes. Esa composición, él dijo, no se parece en nada a ningún planeta de nuestro sistema solar; estos planetas pueden tener más del 50% de agua o hielo sobre sus capas de roca, y esas capas de roca tendrían que existir a temperaturas muy altas y bajo una presión aplastante.

"Determinar la geología de los exoplanetas es difícil, ya que no podemos usar telescopios ni enviar rovers a sus superficies, ", Dijo Shim." Así que tratamos de simular la geología en el laboratorio ".

¿Cómo se hace eso? Primero, necesita las herramientas adecuadas. Para este experimento, Shim y su equipo llevaron sus muestras a dos líneas de luz APS:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) en la línea de luz 13-ID-D, operado por la Universidad de Chicago, y equipo de acceso colaborativo de alta presión (HPCAT) en la línea de luz 16-ID-B, operado por la División de Ciencias de Rayos X de Argonne.

Las muestras se comprimieron en celdas de yunque de diamante, esencialmente dos diamantes de calidad gema con puntas planas diminutas. Coloque una muestra entre ellos y puede apretar los diamantes juntos, aumentando la presión.

"Podemos aumentar la presión hasta varios millones de atmósferas, "dijo Yue Meng, físico de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne y coautor del artículo. Meng fue uno de los principales diseñadores de las técnicas utilizadas en HPCAT, que se especializa en alta presión, experimentos de alta temperatura.

"El APS es uno de los pocos lugares del mundo donde puede realizar este tipo de investigación de vanguardia, ", dijo." Los científicos de la línea de luz, técnicos e ingenieros hacen posible esta investigación ".

La presión de los exoplanetas, Shim dijo, se puede calcular, a pesar de que los datos que tenemos sobre estos planetas son limitados. Los astrónomos pueden medir la masa y la densidad, y si se conoce el tamaño y la masa del planeta, se puede determinar la presión correcta.

Una vez que la muestra está presurizada, Los láseres infrarrojos, que se pueden ajustar a un tamaño más pequeño que el ancho de una célula sanguínea humana, se utilizan para calentarla. "Podemos llevar la muestra a miles de grados Fahrenheit, "dijo Vitali Prakapenka, un científico de líneas de luz en GSECARS, profesor de investigación de la Universidad de Chicago y coautor del artículo. "Tenemos dos láseres de alta potencia que brillan en la muestra desde ambos lados alineados con precisión con una sonda de rayos X APS ultrabrillante y mediciones de temperatura a lo largo de las trayectorias ópticas con una precisión submicrónica".

La temperatura de los exoplanetas es más difícil de medir, porque hay tantos factores que lo determinan:la cantidad de calor que contiene el planeta, la edad del planeta, y la cantidad de isótopos radiactivos que se desintegran dentro de la estructura, emitiendo más calor. El equipo de Shim calculó un rango de temperaturas para trabajar.

Una vez que la muestra se presuriza y se calienta, Los rayos X ultrabrillantes del APS (que pueden ver a través de los diamantes y dentro de la muestra) pueden permitir a los científicos tomar instantáneas de los cambios en la estructura de escala atómica durante las reacciones químicas a medida que ocurren. En este caso, Shim y su equipo sumergieron una pequeña cantidad de sílice en agua, aumentó la presión y la temperatura, y monitoreó cómo reaccionarían los materiales.

Lo que descubrieron es que a alta temperatura y presión de unos 30 gigapascales (unos 300, 000 veces la presión atmosférica estándar en la Tierra), el agua y la roca comienzan a fusionarse.

"Si construyeras un planeta con agua y rocas, supondría que el agua forma una capa sobre la roca, ", dijo." Lo que encontramos es que no es necesariamente cierto. Con suficiente calor y presión, el límite entre la roca y el agua se vuelve borroso ".

Esta es una nueva idea que deberá incorporarse en modelos de exoplanetas, Dijo Prakapenka.

"El punto principal es que le dice a la gente que modela la estructura de estos planetas que la composición es más complicada de lo que pensamos, ", Dijo Prakapenka." Antes creíamos que había una separación entre la roca y el agua, pero según estos estudios, no hay un límite definido ".

Los científicos han realizado experimentos similares antes, Shim dijo, pero esos se basaron en un entorno similar a la Tierra con incrementos más pequeños de agua. La observación de esta nueva transición de fase les da a los modeladores una mejor idea sobre la composición geológica real de los exoplanetas ricos en agua. y también información sobre qué tipo de vida podría llamar hogar a esos exoplanetas.

"Es un punto de partida para construir la forma en que funciona la química en estos planetas, ", Dijo Shim." La forma en que el agua interactúa con las rocas es importante para la vida en la Tierra, y por lo tanto, también es importante comprender el tipo de vida que podría haber en algunos de estos mundos ".

Shim reconoce que esta investigación no es lo primero que uno podría imaginarse al pensar en una fuente de luz como el APS. Pero es exactamente esa diversidad lo que dijo que es una ventaja de las instalaciones para usuarios a gran escala.

"La gente casi no piensa en astrofísica cuando habla de una instalación de rayos X, ", dijo." Pero podemos usar una instalación como el APS para comprender un objeto demasiado distante para que podamos verlo ".