Die physikalischen und chemischen Prozesse, die tief im Innern unseres Planeten ablaufen, sind grundlegend für die Existenz von Leben, wie wir es kennen. Aber welche Kräfte sind im Innern ferner Welten am Werk und wie beeinflussen diese Bedingungen ihr Potenzial für die Bewohnbarkeit?
Eine neue Studie unter Leitung des Earth and Planets Laboratory der Carnegie Institution for Science nutzt laborbasierte Nachbildungen, um eine neue Kristallstruktur zu enthüllen, die wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis des inneren Aufbaus großer, terrestrischer Exoplaneten hat. Die Ergebnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
„Die innere Dynamik unseres Planeten sind entscheidend für die Erhaltung einer Oberflächenumgebung, in der Leben gedeihen kann. Sie treibt den Geodynamo an, der unser Magnetfeld erzeugt und die Zusammensetzung unserer Atmosphäre gestaltet“, erklärte, Rajkrishna Dutta, der Hauptautor von der Carnegie Institution for Science. „Die Bedingungen in den Tiefen großer, terrestrischer Exoplaneten wie etwa Supererden wären sogar noch extremer.“
Silikatminerale machen den Großteil des Erdmantels aus und man vermutet, dass sie ein Hauptbestandteil des inneren Aufbaus anderer Gesteinsplaneten darstellen, basierend auf Berechnungen ihrer Dichten. Auf der Erde definieren die strukturellen Veränderungen, die in Silikaten unter hohen Druck- und Temperaturverhältnissen auftreten, die wichtigen Grenzen im tiefen Erdinneren, wie jene zwischen dem oberen und unteren Mantel.
Das Forschungsteam war daran interessiert, das Auftauchen und das Verhalten neuer Formen von Silikaten unter Bedingungen zu untersuchen, die jene in fernen Welten nachbilden. Das Team bestand aus Sally June Tracy, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo und Jing Yang von der Carniegie Institution, sowie Pamela Burnley von der University of Nevada in Las Vegas, Dean Smith und Yue Meng vom Argonne National Laboratory, Stella Chariton und Vitali Prakapenka von der University of Chicago und Thomas Duffy von der Princeton University.
„Seit Jahrzehnten waren Forscher der Carnegie Instution führend bei der Nachbildung der Bedingungen im Innern von Planeten, indem sie kleine Materialproben immensen Druck- und Temperaturverhältnissen aussetzen“, sagte Duffy.
Aber es gibt Grenzen bezüglich der Möglichkeiten von Wissenschaftlern, die Bedingungen im Innern von Exoplaneten im Labor nachzubilden. Theoretische Modellierungen deuten darauf hin, dass neue Phasen von Silikaten unter den Druckverhältnissen entstehen, die man in den Mantelbereichen von terrestrischen Exoplaneten vermutet, welche mindestens viermal massereicher als die Erde sind. Aber dieser Übergang wurde noch nicht beobachtet.
Allerdings ist Germanium ein guter Ersatz für Silizium. Die beiden Elemente bilden ähnliche Kristallstrukturen, aber Germanium erfährt Übergange zwischen chemischen Phasen bei geringeren Druck- und Temperaturverhältnissen, die in Laborexperimenten einfacher umzusetzen sind.
Das Team arbeitete mit Magnesiumgermanat (Mg2GeO4) als Analogon zu einem der häufigsten Silikatminerale im Mantel und konnte Informationen über die potenzielle Mineralogie von Supererden und anderen großen, terrestrischen Exoplaneten gewinnen. Unter einem Druck von etwa zwei Millionen Atmosphären entstand eine neue Phase mit einer einzigartigen Kristallstruktur, in der ein Germanium-Atom an acht Sauerstoff-Atome gebunden ist.
„Für mich ist das Interessanteste, dass Magnesium und Germanium – zwei sehr unterschiedliche Elemente – sich in der Struktur gegenseitig ersetzen“, sagte Cohen.
Unter normalen Bedingungen sind die meisten Silikate und Germanate in einer sogenannten tetrahedralen Struktur angeordnet – ein zentrales Silizium- oder Germanium-Atom bindet sich an vier andere Atome. Allerdings kann sich das unter extremen Bedingungen ändern.
„Die Entdeckung, dass Silikate unter extremem Druck eine aus sechs statt vier Bindungen bestehende Struktur annehmen könnten, war für das Wissen der Forscher über die innere Dynamik der Erde total bahnbrechend“, sagte Tracy. „Die Entdeckung einer achtfachen Bindung könnte ähnlich revolutionäre Auswirkungen auf unsere Denkweisen zur Dynamik des Inneren von Exoplaneten haben.“
(THK)
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