Dybt inde i hjertet af fremmede verdener dannes krystaller under tryk op til 40 millioner gange mere intens end det atmosfæriske tryk på Jorden, og så meget som 10 gange mere intens end trykket i vores planets kerne. At forstå dem bedre kunne hjælpe os med at søge efter et andet sted i vores galakse.
Lige nu ved videnskabsmænd næsten intet om disse mystiske krystaller. De ved ikke, hvordan og hvornår de dannes, hvordan de ser ud eller hvordan de opfører sig. Men svarene på disse spørgsmål kunne have enorme konsekvenser for overfladerne i disse verdener - uanset om de er dækket enten i strømmende magma eller is, eller er bombarderet med stråling fra deres værtsstjerner. Svaret kan igen påvirke muligheden for, at disse planeter har plads til livet.
Det indre af disse eksoplaneter er mystiske for os, fordi planeterne i vores solsystem har en tendens til at være enten små og stenede, som Jorden og Mars, eller store og gassy som Saturn og Jupiter. Men i de senere år har astronomer fundet, at såkaldte "super-Earths" - gigantiske klippeplaneter - og "mini-Neptunes" - mindre gasplaneter end der findes i vores solsystem - er mere almindelige i resten af vores galakse.
Fordi disse planeter kun kan ses som svage flimre i lyset fra deres værtsstjerner, forbliver meget om dem mystisk. Er de superdense eller superbrede? Hvad er deres overflader lavet af? Har de magnetiske felter? Det viser sig, at svarene på disse spørgsmål er meget afhængige af, hvordan klippen og jernet i deres ultrapresserede kerner opfører sig.
Grænserne for den aktuelle videnskab
Lige nu er vores forståelse af eksoplaneter for det meste baseret på opskalering eller opskalering af, hvad vi ved om planeter i vores eget solsystem, sagde Diana Valencia, en planetvidenskabsmand ved University of Toronto i Canada, der indkaldte til mødet i marts i Amerika Fysisk samfund (APS) for mineralfysikere til at udforske disse eksotiske eksoplanetære materialer.
Problemet med opskaleringsmetoden er, at du ikke rigtig kan forstå, hvordan jern vil opføre sig 10 gange trykket fra Jordens kerne bare ved at formere sig, sagde hun. Ved det enorme pres ændres kemikaliernes egenskaber grundlæggende.
"Vi ville forvente at finde krystaller inde i superjordene, der ikke findes i Jorden eller andre steder i naturen, for den sags skyld," sagde Lars Stixrude, en teoretisk mineralfysiker ved University of California, Los Angeles, der har gjort grundlæggende teoretisk arbejde til beregning af disse ekstreme materialers egenskaber. "Dette ville være unikke arrangementer af de atomer, der kun findes ved meget højt tryk."
Disse forskellige arrangementer sker, fortalte han Live Science, fordi enorme pres fundamentalt ændrer, hvordan atomer binder sammen. På jordens overflade og endda dybt inde i vores planet hænger atomer sammen ved hjælp af kun elektronerne i deres ydre skaller. Men ved overjordiske tryk involveres elektroner tættere på atomkernen og ændrer materialernes form og egenskaber fuldstændigt.
Og disse kemiske egenskaber kunne påvirke opførslen af hele planeter. For eksempel ved videnskabsmænd, at superjordene fælder meget varme. Men de ved ikke hvor meget - og svaret på det spørgsmål har store konsekvenser for disse planets vulkaner og pladetektonik. Ved jordens indre tryk blandes lettere elementer med jernkernen, hvilket påvirker planetens magnetfelt - men det kan muligvis ikke ske ved højere tryk. Selv den fysiske størrelse af superjorderne afhænger af krystalstrukturen af forbindelser i deres kerner.
Men uden planeter af denne art for at studere tæt på i vores eget solsystem, sagde Valencia, skal forskere henvende sig til grundlæggende fysiske beregninger og eksperimenter for at besvare disse slags spørgsmål. Men disse beregninger viser ofte åbne svar, sagde Stixrude. Hvad angår eksperimenterne?
”Disse pres og temperaturer er uden for kapaciteten i de fleste af de teknologier og eksperimenter, vi har i dag,” sagde han.
Bygning af en superjord på regelmæssig jord
På Jorden involverer de mest ekstreme trykeksperimenter knusning af små prøver mellem de skærpede punkter af to industridiamanter.
Men disse diamanter har en tendens til at knuse længe, før de når super-jorden pres, sagde Stixrude. For at komme rundt på begrænsningerne af diamanter vender fysikere sig til dynamiske komprimeringseksperimenter af den slags, der udføres af mineralfysikeren Tom Duffy og hans team ved Princeton University.
Disse eksperimenter producerer mere super-jorden-lignende tryk, men kun til fraktioner af et sekund.
"Ideen er, at du bestråler en prøve med en meget kraftig laser, og du varmer hurtigt overfladen på prøven, og du sprænger et plasma," sagde Duffy, som var formand for APS-sessionen, hvor Valencia talte, til Live Science.
Bit af prøven, pludselig opvarmet, sprænges af overfladen og skaber en trykbølge, der bevæger sig gennem prøven.
"Det er virkelig som en raketskibseffekt," sagde Duffy.
De involverede prøver er små - næsten flade og næsten en millimeter kvadrat i overfladearealet, sagde han. Og det hele varer ved nanosekunder. Når trykbølgen når bagsiden af prøven, splitter det hele. Men gennem omhyggelige observationer under disse korte impulser har Duffy og hans kolleger fundet ud af densiteter og endda de kemiske strukturer af jern og andre molekyler under tidligere uhørt pres.
Der er stadig mange ubesvarede spørgsmål, men videnstilstanden inden for området ændrer sig hurtigt, sagde Valencia. For eksempel er det første papir om strukturen af super-Earths (som Valencia offentliggjorde i februar 2007 i The Astrophysical Journal som kandidatstuderende ved Harvard) forældet, fordi fysikere har fået nye oplysninger om kemikalierne på vores egen planet.
At besvare disse spørgsmål er vigtigt, sagde Duffy, fordi de kan fortælle os, om fjerne fremmede verdener har egenskaber som pladetektonik, flydende magma og magnetiske felter - og derfor, om de kunne understøtte livet.
