Além do nosso sistema solar, visível apenas como o menor ponto no espaço, mesmo com os telescópios mais poderosos, outros mundos existem. Muitos desses mundos, astrônomos descobriram, pode ser muito maior do que a Terra e completamente coberto por água - basicamente planetas oceânicos sem nenhuma massa de terra protuberante. Que tipo de vida poderia se desenvolver em um mundo assim? Será que um habitat como esse poderia suportar vida?

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Arizona State University (ASU) começou recentemente a investigar essas questões. E uma vez que eles não podiam viajar para exoplanetas distantes para coletar amostras, eles decidiram recriar as condições desses mundos aquáticos em laboratório. Nesse caso, esse laboratório era a Advanced Photon Source (APS), um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Argonne National Laboratory do DOE.

O que eles encontraram - publicado recentemente em Proceedings of the National Academy of Sciences —Foi uma nova fase de transição entre a sílica e a água, indicando que a fronteira entre a água e a rocha nesses exoplanetas não é tão sólida quanto aqui na Terra. Esta descoberta crucial pode mudar a forma como os astrônomos e astrofísicos têm modelado esses exoplanetas, e informar a maneira como pensamos sobre a evolução da vida neles.

Dan Shim, professor associado da ASU, liderou esta nova pesquisa. Shim lidera o Laboratório de Materiais Planetários e Terrestres da ASU e há muito é fascinado pela composição geológica e ecológica desses mundos distantes. Essa composição, ele disse, não é nada parecido com qualquer planeta em nosso sistema solar - esses planetas podem ter mais de 50% de água ou gelo no topo de suas camadas de rocha, e essas camadas de rocha teriam que existir em temperaturas muito altas e sob pressão de esmagamento.

"Determinar a geologia dos exoplanetas é difícil, já que não podemos usar telescópios ou enviar rovers para suas superfícies, "Shim disse." Então tentamos simular a geologia no laboratório.

Como é que alguém faz isso? Primeiro, você precisa das ferramentas certas. Para este experimento, Shim e sua equipe trouxeram suas amostras para duas linhas de luz APS:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) na linha de luz 13-ID-D, operado pela Universidade de Chicago, e Equipe de Acesso Colaborativo de Alta Pressão (HPCAT) na linha de luz 16-ID-B, operado pela Divisão de Ciência de Raios-X da Argonne.

As amostras foram comprimidas em células de bigorna de diamante, essencialmente dois diamantes de qualidade gema com minúsculas pontas achatadas. Coloque uma amostra entre eles e você pode apertar os diamantes juntos, aumentando a pressão.

"Podemos aumentar a pressão em vários milhões de atmosferas, "disse Yue Meng, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne e um co-autor do artigo. Meng foi um dos principais designers das técnicas utilizadas no HPCAT, que é especializada em alta pressão, experimentos de alta temperatura.

"O APS é um dos poucos lugares no mundo onde você pode realizar esse tipo de pesquisa de ponta, "ela disse." Os cientistas da linha de luz, técnicos e engenheiros tornam essa pesquisa possível. "

A pressão dos exoplanetas, Shim disse, pode ser calculado, mesmo que os dados que temos sobre esses planetas sejam limitados. Os astrônomos podem medir a massa e densidade, e se o tamanho e a massa do planeta são conhecidos, a pressão certa pode ser determinada.

Uma vez que a amostra é pressurizada, lasers infravermelhos - que podem ser ajustados para tamanhos menores que a largura de uma célula do sangue humano - são usados ​​para aquecê-la. "Podemos elevar a amostra a milhares de graus Fahrenheit, "disse Vitali Prakapenka, um cientista de linha de luz da GSECARS, professor pesquisador da Universidade de Chicago e co-autor do artigo. "Temos dois lasers de alta potência que brilham na amostra de ambos os lados precisamente alinhados com uma sonda de raios X APS ultrabrilhante e medições de temperatura ao longo dos caminhos ópticos com uma precisão de submícron."

A temperatura dos exoplanetas é mais difícil de medir, porque existem tantos fatores que o determinam:a quantidade de calor contida dentro do planeta, a idade do planeta, e a quantidade de isótopos radioativos decaindo dentro da estrutura, emitindo mais calor. A equipe de Shim calculou uma faixa de temperaturas para trabalhar.

Uma vez que a amostra é pressurizada e aquecida, Os feixes de raios X ultrabrilhantes do APS (que podem ver através dos diamantes e na própria amostra) podem permitir que os cientistas tirem fotos das mudanças na estrutura da escala atômica durante as reações químicas conforme elas acontecem. Nesse caso, Shim e sua equipe imergiram uma pequena quantidade de sílica na água, aumentou a pressão e a temperatura, e monitorou como os materiais reagiriam.

O que eles descobriram é que em alta temperatura e pressão de cerca de 30 gigapascais (cerca de 300, 000 vezes a pressão atmosférica padrão na Terra), a água e a rocha começam a se fundir.

"Se você fosse construir um planeta com água e rocha, você assumiria que a água forma uma camada acima da rocha, "disse ele." O que descobrimos é que isso não é necessariamente verdade. Com bastante calor e pressão, a fronteira entre a rocha e a água torna-se difusa. "

Esta é uma ideia nova que deverá ser incorporada em modelos de exoplanetas, Prakapenka disse.

"O ponto principal é que ele diz às pessoas que modelam a estrutura desses planetas que a composição é mais complicada do que pensávamos, "Prakapenka disse." Antes de acreditarmos que havia uma separação entre a rocha e a água, mas com base nesses estudos, não há limites nítidos. "

Os cientistas realizaram experimentos semelhantes antes, Shim disse, mas aqueles eram baseados em um cenário semelhante ao da Terra, com incrementos menores de água. Observar essa nova transição de fase dá aos modeladores uma ideia melhor sobre a composição geológica real de exoplanetas ricos em água, e também percepções sobre quais tipos de vida podem chamar de lar esses exoplanetas.

"É um ponto de partida para construir a forma como a química funciona nesses planetas, "Shim disse." Como a água interage com as rochas é importante para a vida na Terra, e portanto, também é importante entender o tipo de vida que pode haver em alguns desses mundos. "

Shim reconhece que esta pesquisa não é a primeira coisa que se pode imaginar quando se pensa em uma fonte de luz como o APS. Mas é exatamente essa diversidade que ele disse ser uma vantagem das facilidades do usuário em grande escala.

"As pessoas dificilmente pensam em astrofísica quando falam sobre uma instalação de raios-X, "disse ele." Mas podemos usar um recurso como o APS para entender um objeto muito distante para que possamos ver. "