სუპერ-დედამიწის პირობები სიმულირებულია ლაბორატორიაში, რათა აღმოაჩინონ არის თუ არა ისინი საცხოვრებლად

პლანეტა დედამიწის სიღრმეში არის ა თხევადი გარე ბირთვი და ა მყარი შიდა ბირთვი რომ უკუბრუნავს ერთმანეთთან. ეს ქმნის დინამოს ეფექტს, რომელიც პასუხისმგებელია დედამიწის პლანეტარული მაგნიტური ველის წარმოქმნაზე. ასევე ცნობილია როგორც ა მაგნიტოსფერო , ეს ველი ინარჩუნებს ჩვენს კლიმატს სტაბილურად, რაც ხელს უშლის დედამიწის ატმოსფეროს კოსმოსში დაკარგვას. ასე რომ, კლდოვანი ეგზოპლანეტების შესწავლისას, მეცნიერებს ბუნებრივად აინტერესებთ, აქვთ თუ არა მათაც მაგნიტოსფეროები.

სამწუხაროდ, სანამ ჩვენ შევძლებთ გავზომოთ ეგზოპლანეტების მაგნიტური ველები, ჩვენ იძულებულნი ვართ დავასკვნათ მათი არსებობა არსებული მტკიცებულებებიდან. ეს არის ზუსტად ის, რაც მკვლევარებმა სანდიას ეროვნული ლაბორატორიები გააკეთა თავისით Z Pulsed Power Facility (PPF). მათ პარტნიორებთან ერთად კარნეგის მეცნიერების ინსტიტუტი , მათ შეძლეს გაიმეორონ „სუპერ-დედამიწების“ გრავიტაციული წნევა, რათა დაენახათ, შეეძლოთ თუ არა მაგნიტური ველების გენერირება.

კვლევით ჯგუფს ხელმძღვანელობდა ინგივეი ფეი , გეოქიმიკოსი კარნეგისთან დედამიწისა და პლანეტების ლაბორატორია (EPL) და კრისტოფერ ტი სიგლი , პოსტდოქტორი და მენეჯერი Sandia National Laboratories (SNL). მას შეუერთდა მრავალი მკვლევარი EPL და SNL-დან. მათი დასკვნები წარმოდგენილი იყო კვლევაში, რომელიც ახლახან გამოქვეყნდა ბუნების კომუნიკაციები .

მხატვრის მიერ მთვარის გამოსახულება დედამიწის მაგნიტოსფეროში, „დედამიწის ქარით“, რომელიც შედგება ჟანგბადის იონების (ნაცრისფერი) და წყალბადის იონებისაგან (ნათელი ლურჯი). კრედიტი: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS

როდესაც საქმე ეხება პლანეტების საცხოვრებლობის შეფასებას, მეცნიერები იძულებულნი არიან მიიღონ ის, რაც ცნობილია, როგორც 'დაბალი დაკიდებული ხილის' მიდგომა. ეს ნიშნავს დედამიწის მსგავსი პლანეტების ძიებას, რაც არსებითად ნიშნავს კლდოვან პლანეტებს მკვრივი ატმოსფეროებით, რომლებიც შედგება აზოტის, ჟანგბადის, ნახშირორჟანგის, მეთანისა და სხვა გაზებისგან. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი საკითხია, ბრუნავს თუ არა პლანეტა მისი დედა ვარსკვლავის სასიცოცხლო ზონაში (HZ).

პლანეტები, რომლებიც ბრუნავს ამ დიაპაზონში, განიცდიან საკმარისად თბილ ტემპერატურას, რათა შეინარჩუნონ თხევადი წყალი მათ ზედაპირზე. თუმცა, როგორც მეცნიერებმა ბოლო წლებში აღნიშნეს, გეოლოგიური აქტივობა ასევე მთავარი ფაქტორია დედამიწის საცხოვრებლობის შესანარჩუნებლად. როგორც რიჩარდ კარლსონმა, დედამიწისა და პლანეტების ლაბორატორიის დირექტორმა, განმარტა Carnegie Science-ში პრეს - რელიზი :

„მიუხედავად იმისა, რომ ეგზოპლანეტის ატმოსფერულ შემადგენლობაზე დაკვირვება იქნება პირველი გზა დედამიწის მიღმა სიცოცხლის ხელმოწერების მოსაძებნად, პლანეტის ზედაპირზე დასახლების მრავალ ასპექტზე გავლენას ახდენს ის, რაც ხდება პლანეტის ზედაპირის ქვეშ და სწორედ აქ არის კარნეგის მკვლევარის დიდი ხნის გამოცდილება. შემოდის კლდოვანი მასალები ექსტრემალურ ტემპერატურასა და წნეხში“.

ბოლო წლებში ეგზოპლანეტების გამოკვლევებმა 3216 სისტემაში არანაკლებ 4341 ეგზოპლანეტა აღმოაჩინეს (კიდევ 5742 კანდიდატი ელოდება დადასტურებას). დადასტურებულთაგან ძლიერი 1340 იდენტიფიცირებულია, როგორც კლდოვანი პლანეტები, რომლებიც დედამიწის მასაზე მრავალჯერ აღემატება და 8-ჯერ აღემატება ზომას - აქედან გამომდინარე, სახელწოდება 'სუპერდედამიწა'.

Sandia National Laboratories-ის Z მანქანა. კრედიტები: SNL/Randy Montoya

”ამ გაზომვების შესაძლებლობა გადამწყვეტია სუპერდედამიწების შიდა სტრუქტურის საიმედო მოდელების შესაქმნელად, ვიდრე ჩვენი პლანეტის მასის რვაჯერ”, - დასძინა ფეიმ. ”ეს შედეგები დიდ გავლენას მოახდენს დაკვირვების მონაცემების ინტერპრეტაციის უნარზე.”

„ჩვენს წინაშე დგას კითხვა, არის თუ არა რომელიმე ამ სუპერპლანეტიდან დედამიწის მსგავსი, აქტიური გეოლოგიური პროცესებით, ატმოსფეროებითა და მაგნიტური ველებით“, - თქვა ჯოშუა ტაუნსენდმა, სანდიას ფიზიკოსმა და ნაშრომის თანაავტორმა ბოლო SNL-ში. პრეს - რელიზი . სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შეუძლიათ თუ არა ამ ეგზოტიკურ და მასიურ კლდოვან პლანეტებს სიცოცხლე, როგორც ჩვენ ვიცით?

მდებარეობს სანდიას ეროვნული ლაბორატორიების გულში ალბუკერკში, ნიუ-მექსიკოში, Z PPF ეყრდნობა სპეციალურ ინსტრუმენტებს - როგორიცაა მრავალსაფეხურიანი აპარატი, დგუშის ცილინდრი და ალმასის კოჭის უჯრედი - მაღალი წნევის და ტემპერატურის პირობების სიმულაციისთვის. პლანეტის ინტერიერი. ამით მათ შეუძლიათ გაზომონ ეგზოპლანეტების ფიზიკური თვისებები და მიბაძონ მათი გრავიტაციული გარემო.

მათი კვლევის მიზნით, კარნეგის/SNL-ის გუნდმა გაიმეორა 'სუპერდედამიწების' გრავიტაციული წნევა ბრიდგმანიტზე (აგრეთვე მაგნიუმ-სილიკატზე) უზარმაზარი გრავიტაციული წნევის ექვივალენტის გამოყენებით თითქმის მყისიერი გზით. ეს მინერალი არის ყველაზე უხვი მასალა კლდოვანი პლანეტების ინტერიერში და გამოიყენებოდა სუპერდედამიწის მანტიის მასალის სიმულაციისთვის.

მხატვრის შთაბეჭდილება დედამიწის შინაგან სტრუქტურაზე. კრედიტი: Argonne National Labs

ბრიდგმანიტის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი ჰიპერსიჩქარის დარტყმითი ტალღების მიმართ, რომლებიც წარმოიქმნება Z აპარატის მიერ, გუნდმა შეძლო აღედგინა ზეწოლა, რომელიც წარმოადგენდა სუპერდედამიწის ინტერიერს. ამ პირობებში, ჯგუფმა აღმოაჩინა, რომ ბრიდგმანიტს აქვს ძალიან მაღალი დნობის წერტილი, აღმოჩენა, რომელსაც შეიძლება სერიოზული გავლენა ჰქონდეს სუპერდედამიწების შიდა დინამიკაზე.

როგორც მათ თავიანთ კვლევაში აღნიშნეს, გარკვეული თერმული ევოლუციური სცენარის მიხედვით, მასიურ კლდოვან პლანეტებს ევოლუციის დასაწყისში შესაძლოა თერმულად ამოძრავებული გეოდინამო განუვითარდეთ. თუმცა, დინამოს ეს ეფექტი შესაძლოა გაქრეს, როდესაც პლანეტის ინტერიერის გაგრილება შენელდება, მხოლოდ ის ხელახლა დაიწყება მსუბუქი ელემენტების მოძრაობისა და შიდა ბირთვის კრისტალიზაციის გამო.

ექსპერიმენტებმა ასევე დაუშვა მონაცემთა ცხრილის შექმნა, რომელიც აჩვენებდა, თუ როგორ შეიცვლება პლანეტის შინაგანი მდგომარეობა (მყარი, თხევადი ან აირისებრი) წნევის, ტემპერატურისა და სიმკვრივის პირობების მიხედვით (და რამდენი ხანი). როგორც ფეი განმარტა SNL-ის გამოშვების საშუალებით:

„იმისთვის, რომ ავაშენოთ მოდელები, რომლებიც საშუალებას მოგვცემს გავიგოთ სუპერდედამიწების შიდა დინამიკა და სტრუქტურა, ჩვენ უნდა შეგვეძლოს მონაცემების აღება ნიმუშებიდან, რომლებიც მიახლოებით ახასიათებს იქ აღმოჩენილ პირობებს, რაც შეიძლება 14 მილიონჯერ აღემატებოდეს ატმოსფერულ წნევას. თუმცა, ჩვენ განვაგრძობდით შეზღუდვებს, როდესაც საქმე ლაბორატორიაში ამ პირობების შექმნას ეხებოდა. ”

მხატვრის შთაბეჭდილება სუპერ-დედამიწის პლანეტაზე, რომელიც ბრუნავს მზის მსგავსი ვარსკვლავის გარშემო. კრედიტი: ESO/M. კორნმესერი

„Z-მ ჩვენს თანამშრომლობას უზრუნველჰყო უნიკალური ინსტრუმენტი, რომელსაც ვერანაირი სხვა ტექნიკა ვერ შეედრება, რათა გამოვიკვლიოთ სუპერ-დედამიწის ინტერიერის ექსტრემალური პირობები. დაემატა Carnegie Science-ის გამოშვების მეშვეობით. „მანქანის უპრეცედენტო მაღალი ხარისხის მონაცემები გადამწყვეტია სუპერდედამიწების შესახებ ჩვენი ცოდნის გასაუმჯობესებლად“.

სუპერდედამიწის ინტერიერის მდგომარეობის ანალიზის საფუძველზე, ჯგუფმა ასევე შექმნა შვიდი პლანეტის სია, რომლებიც შესაძლოა შემდგომი შესწავლის ღირსი იყოს. მათ შორისაა 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 b და HD-219134 b. როგორც სიგლი, რომელმაც თავდაპირველად შემოგვთავაზა ეს ექსპერიმენტები ფეისთან, განაცხადა :

„ეს პლანეტები, რომლებიც, როგორც ჩვენ აღმოვაჩინეთ, სიცოცხლისუნარიანობას წარმოადგენენ, შეირჩა შემდგომი კვლევისთვის, რადგან მათ აქვთ დედამიწის მსგავსი თანაფარდობა რკინით, სილიკატებით და აქროლადი გაზებით, გარდა შიდა ტემპერატურისა, რომელიც ხელს უწყობს მაგნიტური ველების შენარჩუნებას მზის ქარისგან დასაცავად. ”

სუპერდედამიწები გახდა ინტერესის კერა, რადგან მათი დიდი ზომა და მასა ნიშნავს, რომ ისინი ახორციელებენ დიდ გრავიტაციულ წნევას. შედეგად, ეს პლანეტები, სავარაუდოდ, დიდხანს ინარჩუნებენ თავიანთ ატმოსფეროს, რაც უზრუნველყოფს, რომ სიცოცხლეს უფრო მეტი შანსი აქვს აღმოცენდეს და უფრო რთული მდგომარეობამდე მიაღწიოს.

სუპერდედამიწის GJ 625 b და მისი ვარსკვლავის, GJ625 (Gliese 625) მხატვრული დიზაინი. კრედიტი: გაბრიელ პერესი/SMM (IAC)

მათი მნიშვნელოვანი მასა ასევე ნიშნავს, რომ წნევის და ტემპერატურის პირობები მათ ინტერიერში უფრო სავარაუდოა, რომ გამოიწვიოს გეოდინამო. როგორც ტაუნსენდმა განმარტა, კონტრასტი დედამიწასა და მარსს შორის გვიჩვენებს, თუ როგორ მუშაობს ეს. ”რადგან მარსი უფრო პატარა იყო, თავიდან მას სუსტი გრავიტაციული ველი ჰქონდა”, - თქვა მან. „მაშინ, როცა მისი ბირთვი სწრაფად გაცივდა, მან დაკარგა მაგნიტური ველი და შემდგომში მისი ატმოსფერო განადგურდა“.

საიდუმლო არ არის, რომ ეგზოპლანეტების კვლევის სფერო ბოლო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში ნახტომებით და საზღვრებით გაიზარდა. უახლოეს წლებში, შემდეგი თაობის ინსტრუმენტები კოსმოსში გაფრინდება ან ამოქმედდება აქ, დედამიწაზე. ამის მოლოდინში, მეცნიერები გულმოდგინედ მუშაობენ მოდელების, მეთოდებისა და ჩარჩოების შემუშავებაზე, რომლებიც უფრო სწრაფ დახასიათების საშუალებას მისცემს.

ეს არა მხოლოდ აცნობებს ასტრონომებს, თუ სად უნდა ეძებონ, ისინი ასევე დაეხმარებიან ასტრონომებს ამოიცნონ მაუწყებელი ხელმოწერები, რომლებიც შეიძლება მიუთითებდეს სიცოცხლის არსებობაზე (aka. biosignatures). დედამიწის მიღმა სიცოცხლის ძიება აქამდე რთული და მიმდინარეობდა და, ალბათ, ყოველთვის იქნება. მაგრამ ის ასევე უფრო საინტერესო გახდება და მალე!

შემდგომი კითხვა: SNL , კარნეგის მეცნიერება , ბუნების კომუნიკაციები