Tief im Herzen fremder Welten bilden sich Kristalle unter einem Druck, der bis zu 40 Millionen Mal intensiver ist als der atmosphärische Druck auf der Erde und bis zu 10 Mal intensiver als der Druck im Kern unseres Planeten. Ein besseres Verständnis könnte uns helfen, anderswo in unserer Galaxie nach Leben zu suchen.
Derzeit wissen Wissenschaftler fast nichts über diese mysteriösen Kristalle. Sie wissen nicht, wie und wann sie sich bilden, wie sie aussehen oder wie sie sich verhalten. Aber die Antworten auf diese Fragen könnten enorme Auswirkungen auf die Oberflächen dieser Welten haben - ob sie entweder mit fließendem Magma oder Eis bedeckt sind oder mit Strahlung ihrer Wirtssterne bombardiert werden. Die Antwort könnte wiederum die Möglichkeit beeinflussen, dass diese Planeten Leben beherbergen.
Das Innere dieser Exoplaneten ist für uns mysteriös, weil Planeten in unserem Sonnensystem entweder klein und felsig sind wie Erde und Mars oder groß und gasförmig wie Saturn und Jupiter. In den letzten Jahren haben Astronomen jedoch festgestellt, dass sogenannte "Supererden" - riesige felsige Planeten - und "Mini-Neptune" - kleinere Gasplaneten als in unserem Sonnensystem existieren - im Rest unserer Galaxie häufiger vorkommen.
Da diese Planeten nur als schwaches Flackern im Licht ihrer Wirtssterne gesehen werden können, bleibt vieles an ihnen rätselhaft. Sind sie superdicht oder superweit? Woraus bestehen ihre Oberflächen? Haben sie Magnetfelder? Wie sich herausstellt, hängen die Antworten auf diese Fragen stark davon ab, wie sich Gestein und Eisen in ihren unter Druck stehenden Kernen verhalten.
Die Grenzen der aktuellen Wissenschaft
Derzeit basiert unser Verständnis von Exoplaneten hauptsächlich darauf, das, was wir über Planeten in unserem eigenen Sonnensystem wissen, zu vergrößern oder zu verkleinern, sagte Diana Valencia, eine Planetenwissenschaftlerin an der Universität von Toronto in Kanada, die auf dem März-Treffen der Amerikaner anrief Physical Society (APS) für Mineralphysiker zur Erforschung dieser exotischen exoplanetaren Materialien.
Das Problem mit dem Scale-up-Ansatz ist, dass man nicht wirklich verstehen kann, wie sich Eisen bei zehnfachem Druck des Erdkerns verhält, wenn man es nur multipliziert, sagte sie. Bei diesem enormen Druck ändern sich die Eigenschaften von Chemikalien grundlegend.
"Wir würden erwarten, Kristalle in Supererden zu finden, die es auf der Erde oder anderswo in der Natur nicht gibt", sagte Lars Stixrude, ein theoretischer Mineralphysiker an der University of California in Los Angeles grundlegende theoretische Arbeiten zur Berechnung der Eigenschaften dieser extremen Materialien. "Dies wären einzigartige Anordnungen der Atome, die nur bei sehr hohem Druck existieren."
Diese unterschiedlichen Arrangements passieren, sagte er gegenüber Live Science, weil der enorme Druck die Art und Weise, wie Atome miteinander verbunden sind, grundlegend verändert. Auf der Erdoberfläche und sogar tief in unserem Planeten verbinden sich Atome nur mit den Elektronen in ihren äußeren Schalen. Bei Super-Earth-Drücken werden Elektronen, die näher am Atomkern liegen, beteiligt und verändern die Formen und Eigenschaften von Materialien vollständig.
Und diese chemischen Eigenschaften könnten das Verhalten ganzer Planeten beeinflussen. Zum Beispiel wissen Wissenschaftler, dass Supererden viel Wärme einfangen. Aber sie wissen nicht, wie viel - und die Antwort auf diese Frage hat große Auswirkungen auf die Vulkane und Plattentektonik dieser Planeten. Bei den Innendrücken der Erde vermischen sich leichtere Elemente mit dem Eisenkern und beeinflussen das Magnetfeld des Planeten - bei höheren Drücken kann dies jedoch nicht der Fall sein. Sogar die physikalische Größe von Supererden hängt von der Kristallstruktur der Verbindungen in ihren Kernen ab.
Aber ohne Planeten dieser Art, um in unserem eigenen Sonnensystem aus nächster Nähe zu studieren, müssen sich Wissenschaftler, so Valencia, grundlegenden physikalischen Berechnungen und Experimenten zuwenden, um diese Art von Fragen zu beantworten. Aber diese Berechnungen ergeben oft offene Antworten, sagte Stixrude. Wie für die Experimente?
"Diese Drücke und Temperaturen übersteigen die Möglichkeiten der meisten Technologien und Experimente, die wir heute haben", sagte er.
Aufbau einer Supererde auf normaler Erde
Bei den extremsten Druckversuchen auf der Erde werden winzige Proben zwischen den geschärften Punkten zweier Industriediamanten zerkleinert.
Aber diese Diamanten neigen dazu, lange vor Erreichen des Super-Earth-Drucks zu zerbrechen, sagte Stixrude. Um die Grenzen von Diamanten zu umgehen, wenden sich Physiker dynamischen Kompressionsexperimenten zu, wie sie der Mineralphysiker Tom Duffy und sein Team an der Princeton University durchgeführt haben.
Diese Experimente erzeugen mehr erdähnliche Drücke, jedoch nur für Sekundenbruchteile.
"Die Idee ist, dass Sie eine Probe mit einem sehr leistungsstarken Laser bestrahlen, die Oberfläche dieser Probe schnell erwärmen und ein Plasma abblasen", sagte Duffy, Vorsitzender der APS-Sitzung, in der Valencia sprach, gegenüber Live Science.
Plötzlich erhitzte Probenstücke stoßen von der Oberfläche ab und erzeugen eine Druckwelle, die sich durch die Probe bewegt.
"Es ist wirklich wie ein Raketenschiffeffekt", sagte Duffy.
Die beteiligten Proben sind winzig - fast flach und nur etwa ein Millimeter im Quadrat der Oberfläche, sagte er. Und das Ganze dauert eine Frage von Nanosekunden. Wenn die Druckwelle die Rückseite der Probe erreicht, zerbricht das Ganze. Durch sorgfältige Beobachtungen während dieser kurzen Impulse haben Duffy und seine Kollegen die Dichte und sogar die chemischen Strukturen von Eisen und anderen Molekülen unter bisher unerhörten Drücken herausgefunden.
Es gibt noch viele unbeantwortete Fragen, aber der Wissensstand auf diesem Gebiet ändert sich schnell, sagte Valencia. Zum Beispiel ist das erste Papier über die Struktur von Supererden (das Valencia im Februar 2007 als Doktorand in Harvard im Astrophysical Journal veröffentlichte) veraltet, weil Physiker neue Informationen über die Chemikalien in unserem eigenen Planeten erhalten haben.
Die Beantwortung dieser Fragen ist wichtig, sagte Duffy, weil sie uns sagen können, ob entfernte fremde Welten Eigenschaften wie Plattentektonik, fließendes Magma und Magnetfelder haben - und ob sie daher das Leben unterstützen könnten.
