Laboratoriumexperimenten suggereren dat deze werelden vooral kleverige interieurs hebben
Rotsachtige exoplaneten zoals GJ 1132b (weergegeven in deze artist’s impression) kunnen vulkanen hebben die gassen de atmosfeer in spuwen. Zuurstofrijke rotsen in het binnenste van dergelijke planeten zouden het smelten van de mantel kunnen veroorzaken, wat mogelijk de geologische activiteit zou aanwakkeren, suggereert een studie.
Bescheiden zuurstof is meer dan alleen een bouwsteen van het leven. Het element kan wetenschappers ook helpen een kijkje te nemen in de ingewanden van planeten die in een baan om verre sterren draaien, suggereert een nieuwe studie.
Laboratoriumexperimenten tonen aan dat gesteenten blootgesteld aan hogere zuurstofconcentraties smelten bij lagere temperaturen dan stenen die aan lagere hoeveelheden worden blootgesteld. De bevinding suggereert dat zuurstofrijke rotsachtige exoplaneten een dikke laag soepele mantel zouden kunnen hebben, mogelijk leidend tot een geologisch actieve wereld, rapporteren onderzoekers in de 9 november. Proceedings van de National Academy of Sciences.
Van een kleverig interieur wordt gedacht dat het diepgaande effecten heeft op een rotsachtige planeet. Gesmolten gesteente diep in een planeet is het magma dat geologische activiteit op het oppervlak aandrijft, zoals wat er op aarde gebeurt (SN: 31-7-13). Tijdens vulkaanuitbarstingen kunnen vluchtige stoffen zoals waterdamp en kooldioxide uit het magmatische slijk sissen, waardoor een atmosfeer ontstaat die potentieel vriendelijk is voor het leven (SN: 03-09-19). Maar de factoren die ervoor zorgen dat de mantel op aarde smelt, zijn niet goed begrepen, en wetenschappers hebben de neiging zich te concentreren op de rol van metalen, zoals ijzer.
De impact van zuurstof op het smelten van rotsen is over het hoofd gezien, zegt Yanhao Lin, een planetaire wetenschapper bij het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research in Beijing. Zuurstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde en waarschijnlijk ook op rotsachtige exoplaneten, zegt hij. Als zodanig hebben andere wetenschappers misschien eerder gedacht dat het gewoon een te gewoon element is om zo’n letterlijk wereldschokkende rol te spelen, voegt Lin eraan toe.
In de nieuwe studie maten Lin en collega’s de smelttemperaturen van synthetisch, ijzervrij basaltgesteente onder rots in twee omgevingen: onder zuurstofarme omstandigheden en blootgesteld aan zuurstofrijke lucht. Het team gebruikte het nepgesteente om het effect van zuurstof op het smelten te isoleren en de effecten van ijzer uit te sluiten, dat ook het smelten van rotsen kan beïnvloeden.
Terwijl het gesmolten gesteente afkoelde tot minder dan 1000 ° Celsius, bleven de mineralen in het zuurstofrijke basalt langer gesmolten dan de zuurstofarme monsters, observeerde het team. De geoxygeneerde rotsen stolden consequent bij temperaturen die 100 ° Celsius lager waren dan hun tegenhangers.
Net zoals zout de smelttemperatuur van ijs verlaagt, maakt zuurstof het voor rotsen op dezelfde manier gemakkelijker om te smelten, concluderen de onderzoekers. Lin hypothetiseert dat zuurstof lange ketens van silicium- en zuurstofatomen in vast gesteente kan afbreken, waardoor ze worden overgehaald om kleinere stukjes te vormen. Deze fragmenten zijn mobieler en kunnen gemakkelijker vloeien in vergelijking met de langere, verwarde groepen.
De mate van oxidatie zou kunnen bepalen hoe de stroperige binnenkant van een jonge exoplaneet zich uiteindelijk in ondergrondse lagen nestelt. Een meer geoxideerde en meer smeltgevoelige darm bij lagere temperaturen kan leiden tot een kleinere vaste kern, een dikkere sludgy mantel en een meer metaalarme knapperige schaal, zeggen de onderzoekers.
Een voorbehoud bij het werk is dat de onderzoekers de impact van alleen zuurstof op de smelttemperatuur van rotsen hebben getest. Het team moet nog rekening houden met andere factoren, zoals ijzerconcentratie en hoge druk, die waarschijnlijk ook deel uitmaken van veel real-world interieurs van exoplaneten. Deze extra factoren zullen het smelten verder induceren, voorspelt Lin.
De bevindingen zijn “een zeer goede poging”, zegt planetaire wetenschapper Tim Lichtenberg van de Universiteit van Oxford, die niet bij het onderzoek betrokken was. Andere kanttekeningen bij het smelten van de mantel kunnen de bijdrage van zuurstof overtreffen, maar de nieuwe resultaten zijn nog steeds nuttig, zegt hij. Het begrijpen van de potentiële impact van zuurstof kan bijvoorbeeld waardevol zijn voor het verklaren van de innerlijke werking en geschiedenis van elke exoplaneet die wetenschappers tegenkomen bij hun astronomische waarnemingen. Dat begrip zou nog waardevoller – en opportuun – kunnen zijn nu wetenschappers zich voorbereiden om de nieuw gelanceerde James Webb Space Telescope te gebruiken om de atmosferen van andere werelden te onderzoeken (SN: 10/6/21).
Laboratoriumexperimenten kunnen natuurlijk niet alle nuances van echte planetaire interieurs vastleggen. Maar het werk is nodig om de formulering van theorieën over het ontstaan van bepaalde soorten exoplaneten te sturen en te bevestigen, zegt Lichtenberg. Simulaties kunnen dan het bereik van experimentele resultaten vergroten in combinatie met andere technieken, zoals modellering.
“Observaties, de modellering en de experimenten”, zegt Lichtenberg, “er is een trifecta.” Deze drie uitsteeksels voeden elkaar om de exoplaneetwetenschap als geheel vooruit te helpen, lang voordat de mensheid ooit voet op zulke verre werelden zet.
