La física y la química que tienen lugar en las profundidades de nuestro planeta son fundamentales para la existencia de la vida tal como la conocemos. Pero, ¿qué fuerzas actúan en el interior de los mundos distantes y cómo afectan estas condiciones a su potencial de habitabilidad?

Un nuevo trabajo dirigido por el Laboratorio de Tierra y Planetas de Carnegie utiliza mimetismo basado en laboratorio para revelar una nueva estructura cristalina que tiene importantes implicaciones para nuestra comprensión del interior de los grandes exoplanetas rocosos. Sus hallazgos son publicados por Proceedings of the National Academy of Sciences .

"La dinámica interior de nuestro planeta es crucial para mantener un entorno superficial donde la vida pueda prosperar, impulsando la geodinamo que crea nuestro campo magnético y dando forma a la composición de nuestra atmósfera", explicó Rajkrishna Dutta de Carnegie, el autor principal. "Las condiciones que se encuentran en las profundidades de los grandes exoplanetas rocosos, como las supertierras, serían aún más extremas".

Los minerales de silicato constituyen la mayor parte del manto de la Tierra y se cree que también son un componente importante del interior de otros planetas rocosos, según los cálculos de sus densidades. En la Tierra, los cambios estructurales inducidos en los silicatos bajo condiciones de alta presión y temperatura definen límites clave en el interior profundo de la Tierra, como entre el manto superior e inferior.

El equipo de investigación, que incluía a Sally June Tracy de Carnegie, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo y Jing Yang, así como a Pamela Burnley de la Universidad de Nevada Las Vegas, Dean Smith y Yue Meng del Laboratorio Nacional Argonne, Stella Chariton y Vitali Prakapenka, de la Universidad de Chicago, y Thomas Duffy, de la Universidad de Princeton, estaban interesados ​​en investigar la aparición y el comportamiento de nuevas formas de silicato en condiciones que imitan a las que se encuentran en mundos distantes.

"Durante décadas, los investigadores de Carnegie han sido líderes en la recreación de las condiciones del interior de los planetas poniendo pequeñas muestras de material bajo inmensas presiones y altas temperaturas", dijo Duffy.

Pero existen limitaciones en la capacidad de los científicos para recrear las condiciones de los interiores exoplanetarios en el laboratorio. Los modelos teóricos han indicado que emergen nuevas fases de silicato bajo las presiones que se espera encontrar en los mantos de los exoplanetas rocosos que son al menos cuatro veces más masivos que la Tierra. Pero esta transición aún no se ha observado.

Sin embargo, el germanio es un buen sustituto del silicio. Los dos elementos forman estructuras cristalinas similares, pero el germanio induce transiciones entre fases químicas a temperaturas y presiones más bajas, que son más fáciles de crear en experimentos de laboratorio.

Trabajo con germanato de magnesio, Mg₂ GeO₄ , análogo a uno de los minerales de silicato más abundantes del manto, el equipo pudo recopilar información sobre la mineralogía potencial de las supertierras y otros exoplanetas rocosos grandes.

Bajo aproximadamente 2 millones de veces la presión atmosférica normal, surgió una nueva fase con una estructura cristalina distinta que involucra un germanio unido a ocho oxígenos.

"Lo más interesante para mí es que el magnesio y el germanio, dos elementos muy diferentes, se sustituyen entre sí en la estructura", dijo Cohen.

En condiciones ambientales, la mayoría de los silicatos y germanatos están organizados en lo que se llama una estructura tetraédrica, un silicio central o germanio unido a otros cuatro átomos. Sin embargo, bajo condiciones extremas, esto puede cambiar.

"El descubrimiento de que, bajo presiones extremas, los silicatos podrían adoptar una estructura orientada en torno a seis enlaces, en lugar de cuatro, fue un cambio total en términos de comprensión científica de la dinámica de la Tierra profunda", explicó Tracy. "El descubrimiento de una orientación óctuple podría tener implicaciones igualmente revolucionarias sobre cómo pensamos sobre la dinámica de los interiores de los exoplanetas".