Usando feixes de laser de alta potência, pesquisadores simularam condições dentro de um planeta três vezes maior que a Terra.

Os cientistas identificaram mais de 2, 000 dessas "super-Terras, "exoplanetas maiores que a Terra, mas menores que Netuno, o próximo maior planeta do nosso sistema solar. Ao estudar como ligas de ferro e silício respondem a pressões extraordinárias, os cientistas estão obtendo novos insights sobre a natureza das super-Terras e seus núcleos.

“Agora temos uma técnica que nos permite acessar diretamente as pressões extremas do interior profundo dos exoplanetas e medir propriedades importantes, "disse Thomas Duffy, professor de geociências em Princeton. "Anteriormente, os cientistas estavam restritos a cálculos teóricos ou longas extrapolações de dados de baixa pressão. A capacidade de realizar experimentos diretos nos permite testar resultados teóricos e fornece um grau de confiança muito maior em nossos modelos de como os materiais se comportam sob essas condições extremas. "

O trabalho, que resultou nos dados de difração de raios-X de maior pressão já registrados, foi liderada por June Wicks quando ela era uma pesquisadora associada em Princeton, trabalhando com Duffy e colegas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore e na Universidade de Rochester. Seus resultados foram publicados hoje na revista. Avanços da Ciência .

Porque as super-Terras não têm análogos diretos em nosso próprio sistema solar, os cientistas estão ansiosos para aprender mais sobre suas possíveis estruturas e composições, e, assim, obter insights sobre os tipos de arquiteturas planetárias que podem existir em nossa galáxia. Mas eles enfrentam duas limitações principais:não temos medições diretas de nosso próprio núcleo planetário para extrapolar, e as pressões internas em super-Terras podem atingir mais de 10 vezes a pressão no centro da Terra, muito além da gama de técnicas experimentais convencionais.

As pressões alcançadas neste estudo - até 1, 314 gigapascals (GPa) - são cerca de três vezes maiores do que os experimentos anteriores, tornando-os mais diretamente úteis para modelar a estrutura interna de grandes, exoplanetas rochosos, Duffy disse.

"A maioria dos experimentos de alta pressão usa células de bigorna de diamante que raramente chegam a mais de 300 GPa, "ou 3 milhões de vezes a pressão na superfície da Terra, ele disse. As pressões no núcleo da Terra chegam a 360 GPa.

"Nossa abordagem é mais recente, e muitas pessoas na comunidade ainda não estão familiarizadas com ele, mas mostramos neste (e no passado) trabalho que podemos rotineiramente atingir pressões acima de 1, 000 GPa ou mais (embora apenas por uma fração de segundo). Nossa capacidade de combinar esta pressão muito alta com difração de raios-X para obter informações estruturais nos fornece uma nova ferramenta para explorar os interiores planetários, " ele disse.

Os pesquisadores comprimiram duas amostras por apenas alguns bilionésimos de segundo, apenas o tempo suficiente para sondar a estrutura atômica usando um pulso de raios-X brilhantes. O padrão de difração resultante forneceu informações sobre a densidade e a estrutura cristalina das ligas de ferro-silício, revelando que a estrutura cristalina mudou com maior teor de silício.

"O método simultâneo de difração de raios-X e experimentos de choque ainda está em sua infância, por isso é emocionante ver uma 'aplicação do mundo real' para o núcleo da Terra e além, "disse Kanani Lee, um professor associado de geologia e geofísica na Universidade de Yale que não esteve envolvido nesta pesquisa.

Esta nova técnica constitui uma contribuição "muito significativa" para o campo da pesquisa de exoplanetas, disse Diana Valencia, um pioneiro na área e professor assistente de física na Universidade de Toronto-Scarborough, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "Este é um bom estudo porque não estamos apenas extrapolando de baixas pressões e esperando o melhor. Na verdade, isso está nos dando o melhor, 'nos dando esses dados, e, portanto, restringe melhor nossos modelos. "

Wicks e seus colegas direcionaram um feixe de laser curto, mas intenso, sobre duas amostras de ferro:uma ligada com 7 por cento em peso de silício, semelhante à composição modelada do núcleo da Terra, e outro com 15 por cento em peso de silício, uma composição que é possível em núcleos exoplanetários.

O núcleo de um planeta exerce controle sobre seu campo magnético, evolução térmica e relação massa-raio, Duffy disse. "Sabemos que o núcleo da Terra é formado por liga de ferro com cerca de 10 por cento de um elemento mais leve, e o silício é um dos melhores candidatos para este elemento de luz, tanto para a Terra quanto para os planetas extrasolares. "

Os pesquisadores descobriram que em pressões ultra-altas, a liga de silício inferior organizou sua estrutura cristalina em uma estrutura hexagonal compacta, enquanto a liga de silício superior usou embalagem cúbica centrada no corpo. Essa diferença atômica tem implicações enormes, disse Wicks, que agora é professor assistente na Universidade Johns Hopkins.

“O conhecimento da estrutura cristalina é a informação mais fundamental sobre o material que constitui o interior de um planeta, como todas as outras propriedades físicas e químicas decorrem da estrutura do cristal, " ela disse.

Wicks e seus colegas também mediram a densidade das ligas de ferro-silício em uma faixa de pressões. Eles descobriram que nas pressões mais altas, as ligas de ferro-silício atingem 17 a 18 gramas por centímetro cúbico - cerca de 2,5 vezes mais denso que na superfície da Terra, e comparável à densidade do ouro ou platina na superfície da Terra. Eles também compararam seus resultados com estudos semelhantes feitos com ferro puro e descobriram que as ligas de silício são menos densas do que o ferro sem liga, mesmo sob pressões extremas.

"Um núcleo de ferro puro não é realista, "disse Duffy, "já que o processo de formação planetária inevitavelmente levará à incorporação de quantidades significativas de elementos mais leves. Nosso estudo é o primeiro a considerar essas composições de núcleo mais realistas."

Os pesquisadores calcularam a densidade e distribuição de pressão dentro das super-Terras, levando em consideração a presença de silício no núcleo pela primeira vez. Eles descobriram que a incorporação de silício aumenta o tamanho modelado de um núcleo planetário, mas reduz sua pressão central.

Pesquisas futuras investigarão como outros elementos leves, como carbono ou enxofre, afetam a estrutura e a densidade do ferro em condições de ultra-alta pressão. Os pesquisadores também esperam medir outras propriedades físicas importantes das ligas de ferro, para restringir ainda mais os modelos do interior dos exoplanetas.

"Para um geólogo, a descoberta de tantos planetas extrasolares abriu as portas para um novo campo de exploração, "disse Duffy." Agora percebemos que as variedades de planetas que existem vão muito além dos exemplos limitados em nosso próprio sistema solar, e há um campo de pressão muito mais amplo, temperatura e espaço de composição que deve ser explorado. Compreendendo a estrutura interna e a composição desses grandes, corpos rochosos são necessários para investigar questões fundamentais, como a possível existência de placas tectônicas, geração de campo magnético, sua evolução térmica e até mesmo se são potencialmente habitáveis. "