ماذا يحدث في أعماق العوالم البعيدة؟

تعتبر الفيزياء والكيمياء التي تحدث في أعماق كوكبنا أساسية لوجود الحياة كما نعرفها. ولكن ما هي القوى التي تعمل داخل عوالم بعيدة ، وكيف تؤثر هذه الظروف على قدرتها على العيش؟

يستخدم العمل الجديد من مختبر كارنيجي للأرض والكواكب محاكاة المختبر للكشف عن بنية بلورية جديدة لها آثار كبيرة على فهمنا للتصميمات الداخلية للكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة. تم نشر النتائج التي توصلوا إليها من قبل وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

قال المؤلف الرئيسي راجكريشنا دوتا من جامعة كارنيجي: “إن الديناميكيات الداخلية لكوكبنا ضرورية للحفاظ على بيئة سطحية يمكن أن تزدهر فيها الحياة ، وتحرك الجيودينامو الذي يخلق مجالنا المغناطيسي ويشكل تكوين غلافنا الجوي”. “الظروف الموجودة في أعماق الكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة مثل الكواكب الأرضية الفائقة ستكون أكثر تطرفًا.”

تشكل معادن السيليكات معظم دثار الأرض وتعتبر أيضًا مكونًا رئيسيًا للديكورات الداخلية للكواكب الصخرية الأخرى ، بناءً على حسابات كثافتها. على الأرض ، تحدث التغييرات الهيكلية في السيليكات الموجودة تحتها ضغط مرتفع تحدد ظروف درجة الحرارة ودرجة الحرارة الحدود الرئيسية في عمق باطن الأرض ، مثل تلك الموجودة بين الوشاح العلوي والسفلي.

فريق البحث ، الذي ضم سالي جون تريسي من كارنيجي ورون كوهين وفرانشيسكا ميوزسي وكاي لو وجينغ يانغ ، بالإضافة إلى باميلا بيرنلي من جامعة نيفادا في لاس فيغاس ودين سميث ويو مينج من مختبر أرغون الوطني ، كان كل من ستيلا شاريتون وفيتالي براكابينكا من جامعة شيكاغو وتوماس دافي من جامعة برينستون مهتمين بالتحقيق في ظهور أشكال جديدة من السيليكات وسلوكها في ظل ظروف تحاكي تلك الموجودة في عوالم بعيدة.

قال دافي: “لعقود من الزمان ، كان باحثو كارنيجي روادًا في إعادة خلق الظروف الداخلية للكواكب من خلال تعريض عينات صغيرة من المواد لضغوط هائلة ودرجات حرارة عالية”.

ولكن هناك حدودًا لقدرة العلماء على إعادة تكوين الظروف الداخلية للكواكب الخارجية في المختبر. أشارت النمذجة النظرية إلى ظهور أطوار سيليكات جديدة تحت الضغوط المتوقعة في عباءات الكواكب الخارجية الصخرية التي تكون على الأقل أربعة أضعاف كتلة الأرض. لكن هذا التحول لم يتم ملاحظته بعد.

ومع ذلك ، فإن الجرمانيوم بديل جيد للسيليكون. يشكل كلا العنصرين هياكل بلورية متشابهة ، لكن الجرمانيوم يؤدي إلى انتقالات بين الأطوار الكيميائية عند درجات حرارة وضغوط منخفضة ، والتي يمكن التحكم فيها بشكل أكبر في التجارب المعملية.

العمل مع Magnesium Germanate، Mg₂جيو₄مشابه لواحد من أكثرها وفرة في الوشاح معادن السيليكاتكان الفريق قادرًا على جمع معلومات حول المعادن المحتملة للأرض الفائقة والكواكب الخارجية الصخرية الكبيرة.

تحت حوالي مليوني مرة من الضغط الجوي الطبيعي ، ظهرت مرحلة جديدة ببنية بلورية مميزة تتضمن الجرمانيوم المرتبط بثمانية أكسجين.

قال كوهين: “الشيء الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لي هو أن المغنيسيوم والجرمانيوم ، وهما عنصران مختلفان للغاية ، يحلان محل بعضهما البعض في الهيكل”.

في ظل الظروف المحيطة ، يتم تنظيم معظم السيليكات والجرمانات في ما يسمى هيكل رباعي السطوح ، أو السيليكون المركزي أو الجرمانيوم المرتبط بأربع ذرات أخرى. ومع ذلك ، قد يتغير هذا في الظروف القاسية.

أوضح تريسي أن “اكتشاف أنه في ظل الضغوط الشديدة ، يمكن للسيليكات أن تتخذ هيكلًا موجهًا حول ستة روابط ، بدلاً من أربعة ، كان بمثابة تغيير كامل للعبة من حيث فهم العلماء لديناميكيات الأرض العميقة”. “يمكن أن يكون لاكتشاف اتجاه ثمانية أضعاف آثار ثورية مماثلة لكيفية تفكيرنا في ديناميكيات الكواكب الداخلية الخارجية.”