Глибоко всередині планети Земля є рідке зовнішнє ядро і а тверде внутрішнє ядро які обертаються протилежно один з одним. Це створює ефект динамо, який відповідає за генерацію планетарного магнітного поля Землі. Також відомий як a магнітосфера , це поле підтримує стабільність нашого клімату, запобігаючи втраті атмосфери Землі в космос. Тому, вивчаючи скелясті екзопланети, вчені, природно, задаються питанням, чи вони теж мають магнітосфери.
На жаль, поки ми не зможемо виміряти магнітні поля екзопланети, ми змушені зробити висновок про їх існування з наявних доказів. Саме про це говорять дослідники в Національні лабораторії Сандія зробив зі своїм Z Імпульсна енергетична установка (PPF). Разом зі своїми партнерами по Інститут науки Карнегі , вони змогли відтворити гравітаційний тиск «Суперземель», щоб побачити, чи можуть вони генерувати магнітні поля.
Дослідницьку групу очолив Інвей Фей , геохімік із Карнегі Лабораторія Землі і планет (EPL), і Крістофер Т. Сігл , докторант і менеджер Національних лабораторій Сандія (SNL). До нього приєдналися численні дослідники з EPL та SNL. Їхні висновки були представлені в дослідженні, нещодавно опублікованому в Природні комунікації .
Зображення художника Місяця в магнітосфері Землі з «земним вітром», що складається з іонів кисню (сірий) та іонів водню (яскраво-синій). Авторство зображення: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS
Коли справа доходить до оцінки життєдіяльності планет, вчені змушені використовувати так званий підхід «низько висять фрукти». Це означає пошук планет, схожих на Землю, що по суті означає скелясті планети з щільною атмосферою, що складається з азоту, кисню, вуглекислого газу, метану та інших газів. Іншим ключовим фактором є те, чи обертається планета в межах житлової зони (HZ) своєї батьківської зірки.
Планети, які обертаються в межах цього діапазону, будуть відчувати температуру, достатньо теплу, щоб підтримувати рідку воду на їх поверхні. Однак, як зазначають вчені в останні роки, геологічна діяльність також є основним фактором підтримки придатності Землі для життя. Як пояснив Річард Карлсон, директор лабораторії Землі та планет, у журналі Carnegie Science прес-реліз :
«Хоча спостереження за складом атмосфери екзопланети стануть першим способом пошуку ознак життя за межами Землі, багато аспектів придатності для життя на поверхні планети залежать від того, що відбувається під поверхнею планети, і саме тут багаторічний досвід дослідника Карнегі щодо властивостей скелясті матеріали при екстремальних температурах і тисках надходять».
За останні роки дослідження екзопланет привели до відкриття не менше 4341 екзопланети в 3216 системах (ще 5742 кандидати чекають підтвердження). З підтверджених 1340 надійних планет були ідентифіковані як кам’янисті планети, які в багато разів перевищують масу Землі і до 8 разів більше за розміри – звідси і назва «Супер-Земля».
Машина Z від Sandia National Laboratories. Автори: SNL/Ренді Монтойя
«Здатність робити ці вимірювання має вирішальне значення для розробки надійних моделей внутрішньої структури суперземель, маса яких у вісім разів перевищує масу нашої планети», — додав Фей. «Ці результати сильно вплинуть на нашу здатність інтерпретувати дані спостережень».
«Питання перед нами полягає в тому, чи є будь-яка з цих суперпланет насправді схожою на Землю, з активними геологічними процесами, атмосферою та магнітними полями», — сказав Джошуа Таунсенд, фізик із Сандії та співавтор статті в нещодавній SNL. прес-реліз . Іншими словами, чи здатні ці екзотичні та масивні скелясті планети підтримувати життя, яким ми його знаємо?
Розташований у центрі Національних лабораторій Сандіа в Альбукерке, штат Нью-Мексико, Z PPF покладається на спеціальні інструменти, такі як апарат з кількома ковадлами, поршневий циліндр і алмазна комірка, щоб імітувати умови високого тиску та температури в нутрощі планети. При цьому вони можуть вимірювати фізичні властивості екзопланет і імітувати їх гравітаційне середовище.
Заради свого дослідження команда Carnegie/SNL відтворила гравітаційний тиск «Суперземель», застосувавши еквівалент величезного гравітаційного тиску до бриджманіту (він же магній-силікат) майже миттєво. Цей мінерал є найпоширенішим матеріалом у внутрішніх частинах скелястих планет і використовувався для імітації матеріалу мантії суперземлі.
Враження художника від внутрішньої будови Землі. Авторство: Argonne National Labs
Піддавши бриджманіт ударним хвилям гіпершвидкості, які генерує Z-машина, команда змогла відтворити тиск, характерний для внутрішньої частини суперземлі. За цих умов команда виявила, що бриджманіт має дуже високу температуру плавлення, що може мати серйозні наслідки для внутрішньої динаміки суперземель.
Як вони вказали у своєму дослідженні, за певних сценаріїв теплової еволюції масивні скелясті планети можуть розвинути термічно керовану геодинамо на початку своєї еволюції. Однак цей динамо-ефект може зникнути, коли охолодження нутрощів планети сповільнюється, щоб знову запуститися через рух більш легких елементів і кристалізацію внутрішнього ядра.
Експерименти також дозволили створити таблицю даних, яка показувала, як буде змінюватися стан нутрощів планети (твердий, рідкий або газоподібний) залежно від умов тиску, температури та щільності (і як довго). Як Фей пояснив через випуск SNL:
«Щоб побудувати моделі, які дозволять нам зрозуміти внутрішню динаміку та структуру супер-Землі, ми повинні мати можливість брати дані із зразків, які приблизно відповідають умовам, які можна знайти там, які можуть перевищувати атмосферний тиск у 14 мільйонів разів. Проте ми продовжували стикатися з обмеженнями, коли мова йшла про створення таких умов у лабораторії».
Враження художника про планету Супер-Земля, що обертається навколо зірки, схожої на Сонце. Авторство: ESO/M. Корнмессер
«Z надав нашій співпраці унікальний інструмент, з яким не може зрівнятися жодна інша техніка, щоб ми досліджували екстремальні умови інтер’єрів суперземель», — він додано , через реліз Carnegie Science. «Безпрецедентно високоякісні дані машини були вирішальними для розвитку наших знань про суперземлі».
На основі свого аналізу стану внутрішньої частини суперземлі команда також підготувала список із семи планет, які, можливо, заслуговують подальшого вивчення. До них належать 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 b і HD-219134 b. Як сказав Сігл, який спочатку запропонував ці експерименти з Феєм, сказав :
«Ці планети, які, як ми виявили, найімовірніше підтримують життя, були відібрані для подальшого дослідження, оскільки вони мають подібне до Землі співвідношення вмісту заліза, силікатів та летких газів, на додаток до внутрішніх температур, що сприяють підтримці магнітних полів для захисту від сонячного вітру. ”
Суперземлі стали центром інтересу, оскільки їхній більший розмір і маса означають, що вони чинять великий гравітаційний тиск. В результаті ці планети, ймовірно, утримаються в своїй атмосфері протягом більш тривалого періоду часу, забезпечуючи більше шансів на появу життя і розвиток до більш складного стану.
Художнє оформлення суперземля GJ 625 b і його зірки GJ625 (Gliese 625). Авторство: Габріель Перес/SMM (IAC)
Їхня значна маса також означає, що умови тиску та температури в їхніх приміщеннях, швидше за все, призведуть до геодинамо. Як пояснив Таунсенд, контраст між Землею і Марсом ілюструє, як це працює. «Оскільки Марс був меншим, у нього спочатку було слабкіше гравітаційне поле», — сказав він. «Після того, як його ядро швидко охолоджувалося, воно втратило своє магнітне поле, і його атмосфера згодом була знята».
Не секрет, що за останні кілька десятиліть сфера дослідження екзопланет різко зросла. У найближчі роки прилади наступного покоління вилетять в космос або запрацюють тут, на Землі. Очікуючи цього, вчені старанно працюють над розробкою моделей, методів і основ, які дозволять швидше охарактеризувати.
Вони не тільки повідомлять астрономам, куди їм потрібно дивитися, вони також допоможуть астрономам розпізнати сигнальні ознаки, які можуть вказувати на наявність життя (або біосигнатури). Пошук життя за межами Землі був важким і триваючим досі, і, ймовірно, буде завжди. Але це також стане набагато цікавішим, і незабаром!
Подальше читання: SNL , Наука Карнегі , Природні комунікації