Was passiert in den Tiefen ferner Welten?

Die Physik und Chemie, die tief im Inneren unseres Planeten stattfinden, sind grundlegend für die Existenz des Lebens, wie wir es kennen. Doch welche Kräfte wirken im Inneren ferner Welten und wie wirken sich diese Bedingungen auf deren Bewohnbarkeit aus?

Neue Arbeiten unter der Leitung von Carnegie’s Earth and Planets Laboratory verwenden laborbasierte Mimikry, um eine neue Kristallstruktur aufzudecken, die große Auswirkungen auf unser Verständnis des Inneren großer, felsiger Exoplaneten hat. Ihre Ergebnisse werden von veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Die innere Dynamik unseres Planeten ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer Oberflächenumgebung, in der Leben gedeihen kann – sie treibt den Geodynamo an, der unser Magnetfeld erzeugt, und formt die Zusammensetzung unserer Atmosphäre“, erklärte Rajkrishna Dutta, der Hauptautor von Carnegie. „Die Bedingungen in den Tiefen großer, felsiger Exoplaneten wie Supererden wären sogar noch extremer.“

Silikatmineralien machen den größten Teil des Erdmantels aus und gelten aufgrund von Berechnungen ihrer Dichte auch als Hauptbestandteil des Inneren anderer Gesteinsplaneten. Auf der Erde definieren die strukturellen Veränderungen, die Silikate unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen induzieren, wichtige Grenzen im tiefen Inneren der Erde, wie die zwischen dem oberen und dem unteren Erdmantel.

Das Forschungsteam, zu dem Sally June Tracy von Carnegie, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo und Jing Yang sowie Pamela Burnley von der University of Nevada Las Vegas, Dean Smith und Yue Meng vom Argonne National Laboratory, Stella Chariton and Vitali Prakapenka von der University of Chicago und Thomas Duffy von der Princeton University – war daran interessiert, die Entstehung und das Verhalten neuer Silikatformen unter Bedingungen zu untersuchen, die denen nachahmen, die in fernen Welten gefunden wurden.

„Seit Jahrzehnten sind Carnegie-Forscher führend darin, die Bedingungen im Inneren von Planeten nachzubilden, indem sie kleine Materialproben immensen Drücken und hohen Temperaturen aussetzen“, sagte Duffy.

Aber es gibt Einschränkungen in der Fähigkeit von Wissenschaftlern, die Bedingungen im Inneren von Exoplaneten im Labor nachzubilden. Theoretische Modelle haben gezeigt, dass neue Silikatphasen unter dem Druck entstehen, der in den Mänteln felsiger Exoplaneten zu finden ist, die mindestens viermal so massereich sind wie die Erde. Aber dieser Übergang wurde noch nicht beobachtet.

Allerdings ist Germanium ein guter Ersatz für Silizium. Die beiden Elemente bilden ähnliche kristalline Strukturen, aber Germanium induziert Übergänge zwischen chemischen Phasen bei niedrigeren Temperaturen und Drücken, die in Laborexperimenten besser zu handhaben sind.

Durch die Arbeit mit Magnesiumgermanat, Mg2GeO4, analog zu einem der am häufigsten vorkommenden Silikatminerale des Mantels, konnte das Team Informationen über die potenzielle Mineralogie von Supererden und anderen großen, felsigen Exoplaneten sammeln.

Unter etwa dem 2-Millionenfachen des normalen atmosphärischen Drucks entstand eine neue Phase mit einer ausgeprägten Kristallstruktur, die ein mit acht Sauerstoffatomen verbundenes Germanium umfasst.

„Das Interessanteste für mich ist, dass Magnesium und Germanium, zwei sehr unterschiedliche Elemente, sich in der Struktur gegenseitig ersetzen“, sagte Cohen.

Unter Umgebungsbedingungen sind die meisten Silikate und Germanate in einer sogenannten tetraedrischen Struktur organisiert, in der ein zentrales Silizium oder Germanium mit vier anderen Atomen verbunden ist. Unter extremen Bedingungen kann sich dies jedoch ändern.

„Die Entdeckung, dass Silikate unter extremem Druck eine Struktur annehmen können, die um sechs statt vier Bindungen herum orientiert ist, war ein völliger Wendepunkt in Bezug auf das Verständnis der Wissenschaftler von der Tiefendynamik der Erde“, erklärte Tracy. „Die Entdeckung einer achtfachen Ausrichtung könnte ähnlich revolutionäre Auswirkungen darauf haben, wie wir über die Dynamik des Inneren von Exoplaneten denken.“