ماذا يحدث في أعماق عوالم بعيدة؟

الفيزياء والكيمياء التي تحدث في أعماق كوكبنا أساسية لوجود الحياة كما نعرفها. ولكن ما هي القوى التي تعمل في المناطق الداخلية من عوالم بعيدة ، وكيف تؤثر هذه الظروف على إمكانية سكنها؟

يستخدم العمل الجديد الذي قاده مختبر كارنيجي للأرض والكواكب أساليب محاكاة معملية للكشف عن بنية بلورية جديدة لها آثار كبيرة على فهمنا للتصميمات الداخلية للكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة. تم نشر النتائج التي توصلوا إليها من قبل وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

أوضح راجكريشنا دوتا ، المؤلف الرئيسي من جامعة كارنيجي ، أن “الديناميكيات الداخلية لكوكبنا ضرورية للحفاظ على بيئة سطحية يمكن أن تزدهر فيها الحياة – حيث تقود الجيودينامو الذي يخلق مجالنا المغناطيسي ويشكل تكوين غلافنا الجوي”. “الظروف الموجودة في أعماق الكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة مثل الكواكب الأرضية الفائقة ستكون أكثر قسوة.”

تشكل معادن السيليكات معظم طبقات الأرض ويُعتقد أنها مكون رئيسي من الأجزاء الداخلية للكواكب الصخرية الأخرى أيضًا ، بناءً على حسابات كثافتها. على الأرض ، تحدث التغييرات الهيكلية في السيليكات تحت ضغط مرتفع وتحدد ظروف درجة الحرارة الحدود الرئيسية في عمق باطن الأرض ، مثل تلك الموجودة بين الوشاح العلوي والسفلي.

فريق البحث – الذي شمل سالي جون تريسي من كارنيجي ، ورون كوهين ، وفرانشيسكا ميوزسي ، وكاي لو ، وجينغ يانغ ، بالإضافة إلى باميلا بيرنلي من جامعة نيفادا لاس فيغاس ، ودين سميث ويو مينج من مختبر أرغون الوطني وستيلا شاريتون و كان فيتالي براكابينكا من جامعة شيكاغو وتوماس دافي من جامعة برينستون مهتمين بالتحقيق في ظهور أشكال جديدة من السيليكات وسلوكها في ظل ظروف تحاكي تلك الموجودة في عوالم بعيدة.

قال دافي: “لعقود من الزمان ، كان باحثو كارنيجي روادًا في إعادة خلق الظروف الداخلية للكواكب من خلال وضع عينات صغيرة من المواد تحت ضغوط هائلة ودرجات حرارة عالية”.

ولكن هناك قيودًا على قدرة العلماء على إعادة تهيئة الظروف الداخلية للكواكب الخارجية في المختبر. أشارت النمذجة النظرية إلى ظهور أطوار جديدة من السيليكات تحت الضغوط المتوقع وجودها في عباءات الكواكب الخارجية الصخرية التي تكون على الأقل أربعة أضعاف كتلة الأرض. لكن هذا التحول لم يتم ملاحظته بعد.

ومع ذلك ، فإن الجرمانيوم هو بديل جيد للسيليكون. يشكل العنصران تراكيب بلورية متشابهة ، لكن الجرمانيوم يحث على الانتقال بين الأطوار الكيميائية عند درجات حرارة وضغوط منخفضة ، والتي يمكن التحكم فيها بشكل أكبر في التجارب المعملية.

العمل مع جرانيت المغنيسيوم ، Mg₂جيو₄، مشابهًا لواحد من أكثر الوشاح وفرة معادن السيليكات، تمكن الفريق من جمع معلومات حول المعادن المحتملة للأرض الفائقة والكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة.

تحت حوالي مليوني مرة من الضغط الجوي العادي ، ظهرت مرحلة جديدة ببنية بلورية مميزة تشتمل على جرمانيوم مرتبط بثمانية أكسجين.

قال كوهين: “الشيء الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لي هو أن المغنيسيوم والجرمانيوم ، وهما عنصران مختلفان للغاية ، يحلان محل بعضهما البعض في الهيكل”.

في ظل الظروف المحيطة ، يتم تنظيم معظم السيليكات والجرمانات فيما يسمى هيكل رباعي السطوح ، أحد السيليكون المركزي أو الجرمانيوم المرتبط بأربع ذرات أخرى. ومع ذلك ، في ظل الظروف القاسية ، يمكن أن يتغير هذا.

أوضح تريسي أن “اكتشاف أنه في ظل الضغوط الشديدة ، يمكن للسيليكات أن تتخذ هيكلًا موجهًا نحو ستة روابط ، بدلاً من أربعة ، كان بمثابة تغيير كلي في قواعد اللعبة من حيث فهم العلماء لديناميكيات الأرض العميقة”. “يمكن أن يكون لاكتشاف اتجاه ثمانية أضعاف آثار ثورية مماثلة لكيفية تفكيرنا في ديناميكيات الكواكب الخارجية الداخلية.”