Die Labore, Die Hier Auf Der Erde Ferne Planeten Schmieden

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Hochdruckexperimente untersuchen, was nötig sein könnte, um Exoplaneten bewohnbar zu machen.

Yingwei Fei und seine Kollegen hatten einen Monat lang sorgfältig die drei Splitter aus dichtem Silikat hergestellt, die glänzend und rund waren. Jede Probe war weniger als einen Millimeter dick. Aber Anfang November war es Zeit, sich zu verabschieden. Fei verpackte die Proben und einige Backups sorgfältig in Schaumstoff und schickte sie von Washington DC nach Albuquerque, New Mexico. Dort wird die Z Pulsed Power Facility der Sandia National Laboratories bald 26 Millionen Ampere in Richtung der Splitter schicken und sie nacheinander in Staub zappen.

Die Z-Maschine kann die extremen Bedingungen bei der Detonation von Atomwaffen nachbilden. Fei, ein experimenteller Hochdruckgeologe am Geophysical Laboratory der Carnegie Institution for Science in Washington, DC, hat jedoch ein jenseitigeres Ziel vor Augen: Er hofft zu untersuchen, wie sich Bridgmanit, ein Mineral, das tief unter der Erdoberfläche gefunden wird, bei höheren Temperaturen verhalten würde und Drücke in größeren felsigen Planeten jenseits des Sonnensystems.

Das Experiment ist ein kleiner Beitrag zur Exogeologie: Ein Forschungsgebiet, in dem Astronomen, Planetenforscher und Geologen zusammenkommen, um zu untersuchen, wie Exoplaneten geologisch gesehen aussehen könnten. Für viele Wissenschaftler ist die Exogeologie eine natürliche Erweiterung der Suche nach Welten, die das Leben unterstützen könnten. Astronomen haben bereits Tausende von Exoplaneten entdeckt und einige ihrer wichtigsten Statistiken gesammelt, einschließlich ihrer Massen und Radien. Diejenigen, die in der bewohnbaren oder „Goldlöckchen“-Zone umkreisen - einer Region um den Wirtsstern, die so gemäßigt ist, dass Wasser in flüssiger Form vorliegt -, gelten als besonders lebensfreundlich.

Aber die Erde hat viel mehr zu bieten als ihre Größe, Masse und günstige Umlaufbahn, sagt Cayman Unterborn, Exogeologe an der Arizona State University in Tempe. Zum Beispiel erzeugt und erhält sein aufgewühlter geschmolzener Kern ein Magnetfeld, das die fragile Atmosphäre des Planeten vor dem Sonnenwind schützt. Und die Bewegung tektonischer Platten hilft bei der Regulierung der globalen Temperaturen, indem Kohlendioxid zwischen Gesteinen und der Atmosphäre zirkuliert. Exoplaneten-Entdeckungen strömen weiter. Aber Astronomen erkennen gerade, dass wir diese Systeme viel mehr verstehen wollen als nur Briefmarkensammeln, sagt Unterborn. "Geologie in die Mischung zu bringen, ist ein natürlicher Faktor."

Forscher verwenden Simulationen und Experimente, wie die von Fei an der Z-Maschine, um herauszufinden, welche Arten von Exoplaneten eine erdähnliche Geologie haben könnten. Die Arbeit könnte Forschern helfen, Prioritäten für die zu untersuchenden Exoplaneten zu setzen.

Das Feld steht jedoch vor mehreren Herausforderungen, nicht zuletzt, dass dieses Geheimnis immer noch einen Großteil der Geologie der Erde umgibt - beispielsweise wie und wann die tektonische Aktivität begann. "Es ist eine grundlegende Entdeckung, die die Geologie verändert hat", sagt Richard Carlson, Geochemiker an der Carnegie Institution. "Aber wir wissen immer noch nicht, warum es so funktioniert." Darüber hinaus könnte es schwierig sein, zu bestätigen, dass ein Exoplanet tatsächlich über eine erdähnliche Geologie verfügt. Astronomen beobachten diese Planeten selten direkt, und wenn doch, könnte der Planet die Größe eines einzelnen Pixels in ihrem Bild haben.

Selbst indirekte Beweise - oder der kleinste Hinweis - auf geologische Aktivitäten könnten den Forschern ein vollständigeres Bild dieser fernen Welten vermitteln und welche die besten Kandidaten für die Suche nach Lebenszeichen sind. "Es ist, als ob Sie auf einen riesigen Tatort mit sehr wenigen Beweisen gestoßen wären", sagt Sara Seager, Astrophysikerin am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. "Du arbeitest dein Bestes, um die wenigen Beweise, die es gab, zu nehmen und sie irgendwie zusammenzusetzen."

Nach außen drehen

Eines der aufregendsten Ziele der exoplanetaren Wissenschaft waren Supererden. Diese felsigen Planeten - mit der zehnfachen Masse der Erde - haben im Sonnensystem keine Parallele. Es ist jedoch bekannt, dass sie in der Galaxie weit verbreitet sind, und da viele ziemlich groß sind, könnten sie leichtere Ziele für eine detaillierte Beobachtung darstellen als erdgroße Planeten.

Frühe Studien zur Super-Erd-Geologie, die vor etwa zehn Jahren veröffentlicht wurden, untersuchten, wie diese Planeten aussehen würden, wenn sie einfach vergrößerte Versionen der Erde wären. Aber der heißglühende Planet 55 Cancri e, der erstmals 2004 entdeckt wurde, unterstrich die Idee, dass Supererden ganz anders sein könnten. Beobachtungen im Jahr 2011 ergaben, dass der Planet ungefähr den doppelten Erdradius und etwas mehr als das Achtfache seiner Masse hat, was eine durchschnittliche Dichte ergibt, die nur geringfügig höher ist als die der Erde - und dies war ein Rätsel.

Wenn 55 Cancri e wie die Erde einen Eisenkern und einen Silikatmantel hätte, sollte er aufgrund seiner Größe massiver sein. Ein Ozean, der um den gesamten Planeten gewickelt ist, würde die Dichte von 55 Cancri e auf ein erdähnliches Niveau senken. Aber der Planet ist zu heiß, als dass Wasser lange überleben könnte. es kreist so nahe an seinem Wirtsstern, dass die Tagestemperatur ungefähr 2, 500 Kelvin beträgt.

Eine Resolution kam 2012, als Nikku Madhusudhan, ein Astronom an der Yale University in New Haven, Connecticut, und seine Kollegen beschlossen, einen neuen Ansatz zu wählen. Frühere Untersuchungen hatten ergeben, dass der Wirtsstern des Planeten ein viel höheres Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff aufweist als die Sonne. Sterne und ihre Planeten sind aus derselben wirbelnden Staub- und Gasscheibe aufgebaut, daher schien es fair anzunehmen, dass 55 Cancri e auch kohlenstoffreich sein würden. Als Madhusudhan diesen Kohlenstoff in seinem Modell des Planeteninneren berücksichtigte, ergab er eine Übereinstimmung mit der Masse und dem Radius der Welt. "Das war eine Offenbarung", sagt Madhusudhan, jetzt an der Universität von Cambridge, Großbritannien. Und eine solche Welt wäre wirklich fremd. Madhusudhan vermutet, dass seine Kruste von Graphit dominiert werden könnte; Innerhalb des Planeten würde der Druck wahrscheinlich große Mengen des Elements in Diamanten zerquetschen. "Es würde ziemlich radikal aussehen im Vergleich zu dem, was wir im Sonnensystem sehen", sagt er.

Ein Planet aus Diamant würde die Fantasie beflügeln, obwohl der Wirtsstern von 55 Cancri e möglicherweise nicht so viel Kohlenstoff enthält wie gedacht. Selbst wenn dies der Fall sein sollte, warnen Astronomen davor, anzunehmen, dass die Zusammensetzung eines Planeten mit der seines Wirtssterns übereinstimmt. Seager merkt an, dass diese Idee die Vielfalt der Planeten im Sonnensystem nicht gut erklären würde. "An diesem Punkt ist es eine vernünftige Schlussfolgerung, aber ich denke, es ist wichtig zu erkennen, dass es nicht mit Eisen verkleidet ist", sagt Gregory Laughlin, ein Astronom in Yale.

Exoplanetenbau

Exogeologen haben diese Unsicherheit angenommen und versuchen ihr Bestes, um herauszufinden, wie sich ferne Welten bilden und entwickeln. Um von einer Liste der Ausgangselemente zur Geologie zu gelangen, müssen Wissenschaftler wissen, welche Mineralien sich bilden, wann sie schmelzen und wie sich ihre Dichte mit Druck und Temperatur ändert. Diese Daten können verwendet werden, um zu simulieren, wie sich ein Planet von einer undifferenzierten, geschmolzenen Kugel zu einer Schichtstruktur entwickelt, wobei sich Mineralien bilden und sinken oder schweben, wenn sich der Planet abkühlt. "Wir können ein mineralogisches, sagen wir, Zwiebelschalenmodell erstellen, wie der Planet anfangs aussehen würde", sagt Wim van Westrenen, Geologe an der Freien Universität Amsterdam. Dann können Forscher mithilfe numerischer Modelle vorhersagen, wie sich dieser Planet entwickeln wird und ob die Migration von Materialien ausreicht, um die Plattentektonik voranzutreiben.

Um Informationen zu sammeln, um diese Modelle zu füttern, setzen Geologen synthetische Gesteine hohen Temperaturen und Drücken aus, um die Innereien eines Exoplaneten nachzubilden - wie es Fei und seine Kollegen tun. Obwohl das Ziel dieser Experimente neu ist, ist der Ansatz nicht. Seit Jahrzehnten bauen experimentelle Petrologen Instrumente, um die Bedingungen im Erdinneren zu simulieren, von einigen Zentimetern unter der Erdoberfläche bis zum Erdkern. Viele verwenden ein Gerät, das als Diamantambosszelle bezeichnet wird. Diese Vorrichtung drückt Materialien zusammen, indem die stumpfen Spitzen von zwei Diamanten in Edelsteinqualität zusammengedrückt werden. Während eine Probe unter Druck steht, kann sie mit einem Laser erwärmt werden. Gleichzeitig können Experimentatoren das Material mit Röntgenstrahlen bombardieren, um seine Kristallstruktur zu untersuchen und zu untersuchen, wie sich das Material ändert, wenn es hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird.

Gruppen wie Sang-Heon Dan Shim, Mineralphysiker an der Arizona State University, und seine Kollegen haben dieses Verfahren verwendet, um kohlenstoffreiche Proben zu pressen, die möglicherweise die Zusammensetzung von 55 Cancri e widerspiegeln. Die Arbeit hat gezeigt, wie Planeten, die von kohlenstoffhaltigen Verbindungen, sogenannten Carbiden, dominiert werden, Wärme transportieren können und wie sie sich von Planeten unterscheiden können, die wie die Erde von Silikaten dominiert werden.

Kohlenstoff ist nicht das einzige interessierende Element. Unterborn bezeichnet Magnesium, Silizium und Eisen als „die großen Drei“, die die Volumenstruktur eines Planeten beeinflussen und den Wärmefluss im Mantel und die relative Größe des Planetenkerns beeinflussen - und damit das Vorhandensein von Plattentektonik und einem globalen Magnetfeld, beziehungsweise. Die Verhältnisse dieser Elemente variieren stark in Sternen. Die Sonne hat ein Magnesiumatom für jedes Siliziumatom; Bei anderen Sternen liegt dieses Verhältnis zwischen 0,5 und 2. Der Unterschied mag gering erscheinen, aber wenn auf Planeten dieselben Verhältnisse vorhanden sind, können sie die Geologie drastisch beeinflussen.

Die meisten Lehrbücher argumentieren, dass magnesiumreiche Gesteine weicher wären als solche mit hohen Siliziumkonzentrationen - so sehr, dass sich das Gehen auf einer magnesiumreichen Welt wie das Gehen auf Schlamm anfühlen könnte. Shims Diamant-Amboss-Zell-Arbeit an Gesteinen mit verschiedenen Magnesium-Silizium-Verhältnissen legt nahe, dass diese Welten auch tiefere Magma-Reservoire aufweisen könnten als ein siliziumreicher Planet und infolgedessen katastrophalere Vulkane. Shim merkt jedoch an, dass auch andere Parameter wie die Konzentration von Wasser in Mineralien berücksichtigt werden müssen.

Hoher Druck

Mit zwei Diamanten kann Shim nicht mehr als 400 Gigapascal Druck ausüben, etwas höher als der Druck im Erdkern. Um das Innere von Super-Erden zu untersuchen, hat er sich dem hellsten Röntgenlaser der Welt zugewandt: der kohärenten Linac-Lichtquelle im SLAC National Accelerator Laboratory im kalifornischen Menlo Park. Das Instrument kann Stöße in der Probe erzeugen und Drücke von bis zu 600 Gigapascal erzeugen - genug, um die Kerne von Planeten zu simulieren, die doppelt so massereich sind wie die Erde.

Geologen nutzen auch andere große Einrichtungen, um potenzielle Exoplanetenformulierungen zu untersuchen. Die Z-Maschine kann 1.000 Gigapascal erreichen - der Zustand, der in Planeten fast dreimal so groß ist wie die Masse der Erde. Laseranlagen in Palaiseau (Frankreich) und Osaka (Japan) können eine ähnliche Reichweite erreichen. Einige Forscher haben sich an die National Ignition Facility im Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien gewandt, die zur Untersuchung der Kernfusion verwendet wird und Proben bis zu 5.000 Gigapascal aussetzen kann, dem Druck von Jupiters tiefem Inneren. Diese Experimente befinden sich noch im Anfangsstadium, da die Forscher in diesen Einrichtungen um die Zeit konkurrieren und langsam Daten über eine Vielzahl basischer Verbindungen sammeln.

Letztendlich hoffen Exogeologen, die richtige Kombination von Elementen zu finden, um Exoplaneten mit erdähnlichen Geologien zu bauen. "Ich möchte die kompositorische Goldlöckchen-Zone identifizieren", sagt Wendy Panero, Geologin an der Ohio State University in Columbus. "Was ist die nicht zu weiche, nicht zu steife bewohnbare Zone für die Gesteinszusammensetzung?"

Die Antwort ist möglicherweise nicht eindeutig. Selbst eine perfekte Kenntnis der Komposition kann Exogeologen nicht viel über den Zustand eines Planeten erzählen. Zum Beispiel hat die Erde in ihrer frühen Geschichte keine Plattentektonik beherbergt, und es wird nicht erwartet, dass dies für immer der Fall ist. Und seine Nachbarin Venus zeigt, wie weit die planetare Evolution auseinander gehen kann. Die Masse, der Radius, die Zusammensetzung und die Entfernung des Planeten von der Sonne ähneln denen der Erde. Aber die Erde unterstützt das Leben, während die Venus, die von Kohlendioxid umgeben ist, ziemlich tot ist. Stephen Mojzsis, Geologe an der Universität von Colorado Boulder, vermutet, dass der Verlust der Plattentektonik auf der Erde letztendlich dazu führen wird, dass sie ihrem überhitzten Geschwister ähnelt. "Es ist unvermeidlich", sagt er. "Wir sind uns einfach nicht sicher, wann das passieren wird." Obwohl sich die meisten frühen Exoplanetenmodelle auf die Komposition konzentrieren, müssen Exogeologen letztendlich zusätzliche Faktoren wie Milliarden Jahre planetarischer Evolution berücksichtigen.

Einige erwarten, dass diese Arbeit Astronomen dabei helfen wird, zu bestimmen, auf welche Planeten sie bei der Suche nach Leben zielen sollen. Wenn Wissenschaftler die Bedingungen kennen, die erforderlich sind, um ein Magnetfeld für Milliarden von Jahren aufrechtzuerhalten, oder die Anteile der Elemente, die erforderlich sind, um die Konvektion im Mantel anzutreiben, könnten sie ihren Kollegen raten, die Welten zu untersuchen, die diese Kriterien erfüllen. Dann könnten Astronomen leistungsstarke Teleskope wie das James Webb-Weltraumteleskop der NASA, das 2019 starten soll, auf diese Planeten richten, um in ihrer Atmosphäre nach möglichen Signaturen für außerirdisches Leben zu suchen.

Es könnte auch möglich sein, geologische Aktivitäten aus der Ferne zu erkennen. Ein vorübergehender Anstieg des atmosphärischen Schwefels könnte beispielsweise ein indirekter Hinweis auf das Vorhandensein eines aktiven Vulkans sein. Änderungen des Reflexionsvermögens während der Rotation eines Planeten könnten auf das Vorhandensein von Kontinenten und Ozeanen hinweisen, was auch auf tektonische Aktivität hindeuten könnte.

Es ist bereits von einem möglichen Nachweis vulkanischer Aktivität auf 55 Cancri e die Rede. 2016 veröffentlichten Brice-Olivier Demory, Astronom an der Universität Bern, und seine Kollegen die erste Wärmekarte des Planeten, die mit dem Infrarot-Spitzer-Weltraumteleskop der NASA erstellt wurde. Der Planet ist gezeitengebunden an seinen Stern gebunden, so dass eine Hemisphäre ewig in Sonnenlicht getaucht ist und die andere dunkel. Der Planet sollte dem Stern am nächsten sein, aber Demory und seine Kollegen entdeckten, dass der heißeste Punkt versetzt zu sein scheint. Sie stellten fest, dass fließende Lava Wärme abführt (obwohl neuere Arbeiten argumentiert haben, dass stattdessen Winde verantwortlich sein könnten).

Es ist klar, dass 55 Cancri e kein Ort fürs Leben ist. Aber andere Welten mögen viel einladender sein. Anfang dieses Jahres hat Unterborn eine Studie abgeschlossen, in der mehr als 1.000 sonnenähnliche Sterne untersucht wurden. Anhand ihrer Kompositionen stellte er fest, dass ein Drittel dieser Sterne Planeten beherbergen konnte, deren Kruste dicht genug war, um in den Mantel zu sinken - ein Prozess, der die Plattentektonik Milliarden von Jahren lang gedeihen lassen könnte.

Obwohl Forscher erst am Anfang der Erforschung der Geologie von Exoplaneten stehen, stellt Carlson fest, dass das Studium dieser Welten bereits eine Reihe von Überraschungen gebracht hat, nicht zuletzt Hinweise auf Planeten, die dramatische Migrationen von ihren ursprünglichen Umlaufbahnen erfahren zu haben scheinen. Diese Entdeckung veranlasste Astronomen, die Entwicklung des Sonnensystems zu überdenken und zu theoretisieren, dass ähnliche Bewegungen dazu beigetragen haben könnten, Materialien wie Wassereis zur Erde zu transportieren. "Ich glaube nicht, dass Menschen annähernd so einfallsreich und kreativ sind wie die Natur", sagt Carlson. "Wenn wir also die Vielfalt dessen verstehen, was da draußen ist, öffnen wir unsere Augen für andere Möglichkeiten. Und es sind diese anderen Möglichkeiten, die uns helfen, unsere Situation besser zu verstehen."