A física e a química que ocorrem nas profundezas do nosso planeta são fundamentais para a existência da vida como a conhecemos. Mas que forças estão em ação no interior de mundos distantes e como essas condições afetam seu potencial de habitabilidade?
Um novo trabalho liderado pelo Laboratório de Terras e Planetas de Carnegie usa mimetismo baseado em laboratório para revelar uma nova estrutura cristalina que tem grandes implicações para nossa compreensão do interior de grandes exoplanetas rochosos. Suas descobertas são publicadas pela Proceedings of the National Academy of Sciences .

“A dinâmica interior do nosso planeta é crucial para manter um ambiente de superfície onde a vida pode prosperar – impulsionando o geodínamo que cria nosso campo magnético e moldando a composição de nossa atmosfera”, explicou Rajkrishna Dutta, da Carnegie, principal autor. “As condições encontradas nas profundezas de grandes exoplanetas rochosos, como as super-Terras, seriam ainda mais extremas”.

Os minerais de silicato compõem a maior parte do manto da Terra e são considerados um componente importante do interior de outros planetas rochosos, com base em cálculos de suas densidades. Na Terra, as mudanças estruturais induzidas nos silicatos sob condições de alta pressão e temperatura definem os principais limites no interior profundo da Terra, como aquele entre o manto superior e inferior.

A equipe de pesquisa - que incluiu Sally June Tracy, da Carnegie, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo e Jing Yang, bem como Pamela Burnley, da Universidade de Nevada Las Vegas, Dean Smith e Yue Meng, do Laboratório Nacional de Argonne, Stella Chariton e Vitali Prakapenka, da Universidade de Chicago, e Thomas Duffy, da Universidade de Princeton, estavam interessados ​​em investigar o surgimento e o comportamento de novas formas de silicato sob condições semelhantes às encontradas em mundos distantes.

“Durante décadas, os pesquisadores da Carnegie foram líderes em recriar as condições dos interiores planetários, colocando pequenas amostras de material sob imensas pressões e altas temperaturas”, disse Duffy.

Mas há limitações na capacidade dos cientistas de recriar as condições dos interiores exoplanetários no laboratório. A modelagem teórica indicou que novas fases de silicato emergem sob as pressões esperadas nos mantos de exoplanetas rochosos que são pelo menos quatro vezes mais massivos que a Terra. Mas essa transição ainda não foi observada.

No entanto, o germânio é um bom substituto para o silício. Os dois elementos formam estruturas cristalinas semelhantes, mas o germânio induz transições entre fases químicas em temperaturas e pressões mais baixas, que são mais fáceis de criar em experimentos de laboratório.

Trabalhando com germanato de magnésio, Mg₂ GeO₄ , análogo a um dos minerais de silicato mais abundantes do manto, a equipe conseguiu coletar informações sobre a mineralogia potencial de super-Terras e outros grandes exoplanetas rochosos.

Sob cerca de 2 milhões de vezes a pressão atmosférica normal, uma nova fase emergiu com uma estrutura cristalina distinta que envolve um germânio ligado a oito oxigênios.

"A coisa mais interessante para mim é que o magnésio e o germânio, dois elementos muito diferentes, se substituem na estrutura", disse Cohen.

Sob condições ambientais, a maioria dos silicatos e germanatos são organizados no que é chamado de estrutura tetraédrica, um silício central ou germânio ligado a quatro outros átomos. No entanto, em condições extremas, isso pode mudar.

“A descoberta de que sob pressões extremas, os silicatos podem assumir uma estrutura orientada em torno de seis ligações, em vez de quatro, foi uma mudança total em termos de compreensão dos cientistas da dinâmica profunda da Terra”, explicou Tracy. "A descoberta de uma orientação óctupla pode ter implicações revolucionárias semelhantes sobre como pensamos sobre a dinâmica dos interiores dos exoplanetas."