
Astrophysikalische Beobachtungen haben gezeigt, dass neptunähnliche, wasserreiche Exoplaneten (Planeten um andere Sterne) in unserer Galaxie häufig vorkommen. Man vermutet, dass diese „Wasserwelten“ von einer dicken Wasserschicht bedeckt sind, die hunderte bis tausende Kilometer dick ist und über einem Gesteinsmantel liegt. Obwohl wasserreiche Exoplaneten häufig sind, unterscheidet sich ihre Zusammensetzung sehr von der der Erde, so dass es viele Unbekannte in Bezug auf die Struktur, Zusammensetzung und die geochemischen Kreisläufe dieser Planeten gibt.
Um mehr über diese Planeten zu erfahren, hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Arizona State University (ASU) eine der ersten mineralogischen Laborstudien über wasserreiche Exoplaneten durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden kürzlich im Journal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
„Die Untersuchung der chemischen Reaktionen und Prozesse ist ein entscheidender Schritt nach vorn, um diese häufigen Planetentypen zu verstehen“, sagte der Co-Autor Dan Shim von der School of Earth and Space Exploration der ASU.
Der allgemeine wissenschaftliche Konsens besagt, dass Wasser und Gestein separate Schichten im Innern von Wasserwelten bilden. Weil Wasser leichter ist, sollte es bei wasserreichen Planeten unter der Wasserschicht eine Gesteinsschicht geben. Die extremen Druck- und Temperaturverhältnisse an der Grenze zwischen Wasser- und Gesteinsschicht könnten das Verhalten dieser Materialien jedoch grundlegend verändern.
Um diese hohen Druck- und Temperaturverhältnisse im Labor zu simulieren, führte die Hauptautorin Carole Nisr Experimente in Shims Lab for Earth and Planetary Materials an der ASU durch, wobei Hochdruckstempelzellen aus Diamant zum Einsatz kamen.
Für ihr Experiment nutzten die Forscher in Wasser gelöste Silikate und komprimierten die Probe zwischen Diamanten bis auf einen sehr hohen Druck. Dann erhitzten sie die Probe mit Laserstrahlen auf mehr als 1500 Grad Celsius.
Das Team führte auch Aufheizungen per Laserstrahl am Argonne National Laboratory in Illinois durch. Um die Reaktion zwischen den Silikaten und dem Wasser zu überwachen, wurden Röntgenmessungen gemacht, während der Laser die Probe unter sehr hohem Druck aufheizte.
Sie fanden eine unerwartete neue feste Phase mit Silizium, Wasserstoff und Sauerstoff zusammen.
„Ursprünglich dachte man, dass die Wasser- und Gesteinsschichten in wasserreichen Planeten gut voneinander getrennt sind“, sagte Nisr. „Aber mit unseren Experimenten entdeckten wir eine bislang unbekannte Reaktion zwischen Wasser und Silikaten und eine stabile, feste Phase in einer dazwischenliegenden Zusammensetzung. Die Unterscheidung zwischen Wasser und Gestein schien bei hohem Druck und hohen Temperaturen überraschend ‚verschwommen‘ zu sein.“
Die Forscher hoffen, dass diese Ergebnisse unser Wissen über die Struktur und die Zusammensetzung von wasserreichen Planeten und ihrer geochemischen Kreisläufe verbessern werden.
„Unsere Studie hat wichtige Auswirkungen und wirft neue Fragen über die chemische Zusammensetzung und Struktur des inneren Aufbaus von wasserreichen Exoplaneten auf“, sagte Nisr. „Der geochemische Kreislauf von wasserreichen Planeten könnte sich sehr von dem anderer Gesteinsplaneten wie beispielsweise der Erde unterscheiden.“
(THK)
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