Planety diamentowe

 

Mogą istnieć bogate w węgiel egzoplanety wykonane z diamentów

Naukowcy coraz lepiej rozumieją egzoplanety. Teraz wiemy, że jest ich dużo i że mogą nawet orbitować wokół martwych białych karłów. Badacze coraz lepiej rozumieją, jak się formują i z czego są zrobione.

Nowe badanie mówi, że niektóre egzoplanety bogate w węgiel mogą być zbudowane z krzemionki, a nawet diamentów.

Tytuł nowego badania to „Utlenianie wnętrz egzoplanet z węglików spiekanych”. Głównym autorem jest Harrison Allen-Sutter ze Szkoły Eksploracji Ziemi i Kosmosu Uniwersytetu Stanowego Arizony. Wyniki badań zostały opublikowane w The Planetary Science Journal.

Egzoplaneta węglikowa to po prostu planeta bogata w węgiel. Kiedy tworzy się układ słoneczny, gwiazda (-y) i planety powstają z tego samego obłoku materii, więc ich skład jest podobny. Jeśli gwiazda ma wysoki stosunek węgla do tlenu, to jej planety też.

W naszym Układzie Słonecznym zarówno Słońce, jak i Ziemia mają niski stosunek węgla do tlenu. Ziemia jest bogata w krzemiany i tlenki, ale bardzo uboga w diamenty. Kiedy astronomowie patrzą na inne gwiazdy i znajdują wysoki stosunek węgla do tlenu, wiedzą, że egzoplanety wokół tych gwiazd będą miały ten sam wysoki stosunek. Zamiast składać się z dużej ilości krzemianów i tlenków, mogą mieć większą zawartość diamentów. Chociaż zawartość diamentów na Ziemi jest bardzo niska, około 0,001%, egzoplanety węglikowe mogą mieć znacznie wyższą zawartość diamentów.

„Te egzoplanety nie przypominają niczego w naszym Układzie Słonecznym” - powiedział główny autor H. Allen Sutter w komunikacie prasowym.

Jednak to wszystko było hipotetyczne. Zespół naukowców musiał to przetestować. Potrzebowali sposobu na naśladowanie lub odtworzenie ekstremalnej temperatury i ciśnienia. Aby to zrobić, sięgnęli po diamentowe kowadło. Kowadło diamentowe to element wyposażenia służący do poddawania próbek materiału działaniu ekstremalnych ciśnień występujących w głębi planet.

Schemat komórki z diamentowym kowadłem. Rubin służy jako wskaźnik ciśnienia. Źródło zdjęcia: Tobias1984

W swoim eksperymencie zespół rozpoczął od węglika krzemu i wody. Włożyli tę kombinację do komórki z diamentowym kowadłem, a próbka została podgrzana laserem. Gdy laser ogrzewał próbkę, wykonano prześwietlenie materiału. Wyniki odpowiadały ich przewidywaniom, a woda i węglik krzemu zareagowały i przekształciły się w diamenty i krzemionkę.

Rysunek 4 z badania. Ten obraz ilustruje hipotezę zespołu.  Po lewej stronie jest niezmieniona planeta bogata w węgiel.  Po dodaniu wody płaszcz zdominowany przez węglik krzemu przekształca się w płaszcz zdominowany przez krzem i diament, pokazany po prawej stronie.  W wyniku reakcji powstaje także metan i wodór.  Źródło zdjęcia: Harrison / ASU

Zespół omawia konsekwencje tych wyników w swoim artykule. „Niektóre populacje (12–17%) gwiazd mogą mieć stosunek C / O większy niż 0,8, a mineralogia planet otaczających te gwiazdy byłaby zdominowana przez węgliki” - piszą. „Dlatego planeta uformowana w takich warunkach może mieć egzotyczną strukturę wewnętrzną i dynamikę w porównaniu z typami planet obserwowanymi w Układzie Słonecznym”.

„Jeśli woda jest dostarczana na planety z węglików spiekanych, uderzenie wytworzy lokalnie wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę oraz wywoła reakcję. W obszarach płaszcza, w których woda dociera do SiC, reakcja wytworzyłaby diament i krzemionkę”.

Ten wykres pomaga wyjaśnić wyniki. Przesunięcie Ramana to pomiar zmiany energii między surowym światłem lasera używanym do ogrzewania materiałów a energią rozproszonego światła laserowego po napotkaniu próbki. Czarne widmo mierzono w nieogrzewanej części próbki, a czerwone widmo mierzono w części ogrzewanej. Czerwony kolec przy około 1400 cm -1 przedstawia kryształy diamentu, które utworzyły się podczas eksperymentu. Źródło zdjęcia: Allen-Sutter i wsp., 2020.

Zespół zwraca uwagę, że zmiana chemiczna, która prowadzi do powstania diamentów, rozpoczęłaby się na zewnątrz planety i przedostałaby się do środka. „W tym przypadku planeta węglikowa doświadczyłaby chemicznej przemiany z zewnątrz. Proces ten mógłby spowodować, że powierzchnia być pokryte krzemionką, podczas gdy na wystarczająco większych głębokościach diament i krzemionka istniałyby razem, jak pokazano na <Rysunek 4>”

Zdjęcie diamentowej komórki kowadła w laboratorium ASU dla nauk o Ziemi i Planetarnej.  Płaskie powierzchnie nazywane są kuwetami i tam próbka znajduje się podczas zwiększania ciśnienia.  Źródło zdjęcia: Dan Shim

Każda planeta, która przeszła tę transformację, wyglądałaby zupełnie inaczej niż Ziemia. W rzeczywistości różniłyby się od każdego ciała w naszym Układzie Słonecznym. „Wyjątkowa mineralogia przekształconych planet bogatych w węgiel sprawiłaby, że planety te nie byłyby podobne do Ziemi” - piszą w podsumowaniu. „Na przykład płaszcz przekształconych planet byłby znacznie bardziej lepki niż podobny do Ziemi płaszcz krzemianowy ze względu na fizyczne właściwości krzemionki i diamentu”.

Wiele z naszych naukowych zainteresowań egzoplanetami dotyczy potencjalnego zamieszkiwania. Te bogate w diamenty planety prawie na pewno nie byłyby w stanie utrzymać życia. Sprowadza się do aktywności geologicznej.

Naukowcy uważają, że aktywność geologiczna ma kluczowe znaczenie dla podtrzymywania życia na planecie. Po pierwsze, aktywność ta może pomóc w regulacji cykli węglowych, a niektóre badania dogłębnie zgłębiały tę sprawę.

Płyty tektoniczne Ziemi.  Bez płyt i aktywności geologicznej planety prawdopodobnie nie są w stanie utrzymać życia.  Planety diamentowe, takie jak te w tym badaniu, są prawdopodobnie zbyt oporne do aktywności geologicznej.  Źródło: msnucleus.org

Allen-Sutter i inni autorzy nowych badań uważają, że te bogate w węgiel planety byłyby zbyt oporne, aby były aktywne geologicznie. Uważają też, że atmosfera jest prawdopodobnie przeszkodą dla życia. Jak podkreślają, nauka o egzoplanetach to coś więcej niż tylko możliwość zamieszkania.

„Niezależnie od zdolności do zamieszkania, jest to dodatkowy krok, który pomaga nam zrozumieć i scharakteryzować nasze stale rosnące i poprawiające się obserwacje egzoplanet” - powiedział Allen-Sutter. „Im więcej się nauczymy, tym lepiej będziemy w stanie interpretować nowe dane z nadchodzących przyszłych misji, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace, aby zrozumieć światy poza naszym Układem Słonecznym”.