Planety skaliste większe od Ziemi, tak zwane superziemie, zaskakująco często występują w naszej galaktyce i być może najbardziej spośród wszystkich sprzyjają powstaniu życia. Zrozumienie ich struktury wewnętrznej pozwoli nam przewidzieć czy różne planety są w stanie wytworzyć własne pole magnetyczne – które zdaje się być niezbędne do powstania i przetrwania życia.
Europejscy naukowcy odkryli wodę w atmosferze planety oddalonej o 124 lata świetlne od Ziemi. Całkiem możliwe, że na tym odległym świecie, planecie K2-18b istnieją chmury, a nawet padają deszcze. Co więcej, planeta ta znajduje się w tak zwanej ekosferze, a więc panująca na niej temperatura może sprzyjać rozwojowi życia.
Owa skalista planeta ma masę ośmiokrotnie większą od masy Ziemi, a więc należy do kategorii superziemi. To nazwa nadawana planetom o masie mieszczącej się w przedziale między Ziemią a Neptunem. „Superziemie są w rzeczywistości dość powszechnym typem planet w naszej galaktyce” mówi dr Ingo Waldmann, egzoplanetolog z University College London w Wielkie Brytanii, jeden z naukowców, którzy informowali o istnieniu wodnego świata K2-18b.
Pierwsza planeta krążąca wokół aktywnej gwiazdy poza Układem Słonecznym została odkryta w 1995 roku. Od tego czasu, kosmiczny teleskop Kepler znacząco przyspieszył proces odkrywania nowych planet, dzięki czemu aktualnie znamy ponad 4000 takich obiektów. Początkowo, najpowszechniejsze wydawały się duże gazowe olbrzymy krążące blisko swoich gwiazd, tak zwane gorące jowisze, ale z czasem naukowców zaskoczyła coraz większa liczba superziem.
„Pierwsze układy egzoplanet były proste, w większości znajdowaliśmy jednego gorącego jowisza krążącego wokół swojej gwiazdy macierzystej. Nie spodziewaliśmy się superziem, ale same zaczęły się coraz częściej pojawiać” mówi dr Waldmann. „Aktualnie nie wiem prawie nic o superziemiach, bo planety tego typu nie występują w naszym układzie planetarnym”.
Większość z tych planet odkrywamy gdy przechodzą na tle tarczy swojej małej gwiazdy macierzystej powodując spadek jej jasności. Obserwując taki tranzyt badacze mogą oszacować masę i promień planety – okazuje się, że superziemie cechują się niewiarygodną różnorodnością i składem chemicznym: 55 Cancri e, planeta z oceanem lawy na powierzchni i temperaturą wystarczająco wysoką, aby topić żelazo, Gliese 1214b, potencjalny wodny świat składający się w większości z wody. Naukowcy analizują związki znajdujące się w atmosferach tych planet badając przechodzące przez nie (atmosfery) światło gwiazdy.
Ustalenie tego co się dzieje we wnętrzach tych odległych planet, jest znacznie trudniejsze. „Możemy przyglądać się powierzchni gwiazdy, aby dowiedzieć się co nieco o chemii i składzie planety, sprawdzić ile żelaza i krzemu może się na niej znajdować” mówi dr Razvan Caracas, mineralog planetarny z Ecole Normale Superieure de Lyon we Francji.
To ważne, ponieważ w zależności od tego czy planeta ma stałe jądro, np. niklowe lub niklowo-żelazne, i zewnętrzne jądro z ciekłego metalu, planeta może mieć lub nie mieć pola magnetycznego. Ziemskie pole magnetyczne chroni nas przed większością promieniowania słonecznego, odchylając strumień naładowanych cząstek tak, że nie docierają one na powierzchnię. Badacze uważają, że tego rodzaju osłona jest niezbędna do powstania życia.
Dr Caracas nadzorował projekt ABISSE, w ramach którego tworzono symulacje komputerowe różnych mieszanin żelaza i niklu w ekstremalnie wysokich ciśnieniach, aby sprawdzić jak się zachowują. Są to metale, które najprawdopodobniej tworzą jądra w superziemiach, ale nie wiadomo czy żelazo i nikiel będą się ze sobą mieszać, układać warstwowo, czy przyjmować stan ciekły w niewiarygodnie wysokich warunkach ciśnienia panujących we wnętrzach dużych planet.
Poznając typ struktury jądra, które może powstać z różnych proporcji niklu i żelaza, naukowcy mają nadzieję zrozumieć, co się dzieje we wnętrzach superziem, w oparciu o to, czego dowiedzą się o ich składzie chemicznym.
„Dwa różne jądra planetarne mogą zachowywać się zupełnie inaczej, i odpowiadać za powstanie lub brak pola magnetycznego” tłumaczy Caracas. „Silniejsze pole magnetyczne może stanowić lepszą ochronę przed promieniowaniem wysokoenergetycznym na powierzchni, a tym samym sprzyjać powstawaniu bardziej złożonych związków organicznych”.
Dr Guillaume Fiquet, fizyk eksperymentalny z CNRS oraz na Sorbonie w Paryżu, także stara się zrozumieć wnętrza superziem w ramach projektu PLANETDIVE. „Gdy mówi się o przyjazności planet do życia, często mówi się o obecności pola magnetycznego, które z kolei jest związane z obecnością jakiegoś metalicznego jądra” mówi.
Fiquet bada jak materiały takie jak żelazo zachowują się pod ciśnieniem panującym we wnętrzu superziemi, które może sięgać 1 terapaskala, czyli trzy razy wyższego od ciśnienia panującego we wnętrzu Ziemi. Takie ciśnienie ściska ze sobą atomy i może wpływać na właściwości materii, co oznacza, że nasza wiedza o jej zachowaniu w Ziemi może nie stosować się do egzoplanet.
„Egzoplanety są większe od Ziemi, a to znaczy, że ciśnienie i temperatury w ich wnętrzach także są dużo większe. To zmusza nas do opracowywania nowych narzędzi pozwalających nam odtworzyć stany materii, których jak dotąd, nie znamy”.
Dr Fiquet rzuca nowe światło na ich tajemnice odtwarzając wysokie temperatury i ekstremalnie wysokie ciśnienie, które mogą panować w centrach tych egzotycznych planet. W tym celu kieruje lasery na drobiny metalu lub ściska je między mikroskopijnymi imadłami diamentowymi.
Takie eksperymenty umożliwiły mu odtworzenie krzywych topnienia pierwiastków takich jak żelazo, które najprawdopodobniej znajdują się w jądrach superziem.
W tym samym czasie, dr Waldmann, w ramach projektu ExoAI, prowadzi badania nad zaangażowaniem sztucznej inteligencji (AI) do analizowania danych z obserwacji związków chemicznych znajdujących się w atmosferach superziem.
„To prawdziwy święty Graal. Liczymy na odkrycie sygnatur chemicznych w atmosferze superziemi, wskazujących na obecność życia. Mamy nadzieję, że do tego dojdzie w ciągu kilku następnych lat lub dekad”.
Źródło: Horizon: The EU Research & Innovation Magazine