O conceito deste artista mostra um planeta hipotético coberto de água em torno do sistema estelar binário de Kepler-35A e B. A composição desses mundos aquáticos fascina astrônomos e astrofísicos há anos.
Crédito: NASA / JPL-Caltech
Além do nosso sistema solar, visível apenas como o menor ponto no espaço, mesmo com os telescópios mais poderosos, existem outros mundos. Muitos desses mundos, descobriram os astrônomos, podem ser muito maiores que a Terra e completamente cobertos de água - basicamente planetas oceânicos sem massas de terra salientes. Que tipo de vida poderia se desenvolver nesse mundo? Um habitat como esse poderia sustentar a vida?
Uma equipe de pesquisadores liderada pela Arizona State University (ASU) recentemente se propôs a investigar essas questões. E como não podiam viajar para exoplanetas distantes para coletar amostras, eles decidiram recriar as condições desses mundos aquáticos no laboratório. Nesse caso, esse laboratório era a Advanced Photon Source (APS), um escritório de ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE.
O que eles descobriram - publicado recentemente em Proceedings da Academia Nacional de Ciências - foi uma nova fase de transição entre sílica e água, indicando que a fronteira entre a água e a rocha nesses exoplanetas não é tão sólida quanto aqui na Terra. Essa descoberta crucial pode mudar a maneira como astrônomos e astrofísicos modelam esses exoplanetas e informar a maneira como pensamos sobre a vida evoluindo neles.
Dan Shim, professor associado da ASU, liderou esta nova pesquisa. Shim lidera o Laboratório de Materiais Terrestres e Planetários da ASU e há muito tempo é fascinado pela composição geológica e ecológica desses mundos distantes. Essa composição, disse ele, não é nada como qualquer planeta em nosso sistema solar - esses planetas podem ter mais de 50% de água ou gelo sobre suas camadas rochosas, e essas camadas rochosas teriam que existir a temperaturas muito altas e sob pressão esmagadora.
"Determinar a geologia dos exoplanetas é difícil, já que não podemos usar telescópios ou enviar veículos para suas superfícies", disse Shim. "Então tentamos simular a geologia no laboratório".
Como é que alguém faz isso? Primeiro, você precisa das ferramentas certas. Para esse experimento, Shim e sua equipe trouxeram suas amostras para duas linhas de luz da APS: GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) na linha de luz 13-ID-D, operada pela Universidade de Chicago, e High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) na linha de luz 16-ID -B, operado pela Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne.
As amostras foram compactadas em células de bigorna de diamante, essencialmente dois diamantes de qualidade de gema com pequenas pontas planas. Coloque uma amostra entre eles e poderá espremer os diamantes, aumentando a pressão.
"Podemos aumentar a pressão para vários milhões de atmosferas", disse Yue Meng, físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne e co-autor do artigo. Meng foi um dos principais projetistas das técnicas utilizadas no HPCAT, especializado em experimentos de alta pressão e alta temperatura.
"A APS é um dos poucos lugares do mundo onde você pode realizar esse tipo de pesquisa de ponta", disse ela. "Os cientistas, técnicos e engenheiros da linha de luz tornam essa pesquisa possível".
Shim disse que a pressão dos exoplanetas pode ser calculada, embora os dados que temos sobre esses planetas sejam limitados. Os astrônomos podem medir a massa e a densidade e, se o tamanho e a massa do planeta forem conhecidos, a pressão certa poderá ser determinada.
Depois que a amostra é pressurizada, lasers infravermelhos - que podem ser ajustados para menores que a largura de uma célula sanguínea humana - são usados para aquecê-la. "Podemos levar a amostra a milhares de graus Fahrenheit", disse Vitali Prakapenka, cientista da linha de luz do GSECARS, professor de pesquisa da Universidade de Chicago e co-autor do artigo. "Temos dois lasers de alta potência que brilham na amostra de ambos os lados, alinhados com precisão com uma sonda de raios-X APS ultra-brilhante e medições de temperatura ao longo dos caminhos ópticos com precisão de submícron."
A temperatura dos exoplanetas é mais difícil de medir, porque existem muitos fatores que a determinam: a quantidade de calor contida no planeta, a idade do planeta e a quantidade de isótopos radioativos em decomposição no interior da estrutura, liberando mais calor. A equipe de Shim calculou uma variedade de temperaturas para trabalhar.
Depois que a amostra é pressurizada e aquecida, os raios ultravioletas da APS (que podem ver através dos diamantes e na própria amostra) podem permitir que os cientistas tirem fotos das mudanças na estrutura da escala atômica durante as reações químicas à medida que elas acontecem . Nesse caso, Shim e sua equipe imergiram uma pequena quantidade de sílica na água, aumentaram a pressão e a temperatura e monitoraram como os materiais reagiriam.
O que eles descobriram é que, a alta temperatura e pressão de cerca de 30 gigapascais (cerca de 300.000 vezes a pressão atmosférica padrão na Terra), a água e a rocha começam a se fundir.
"Se você construísse um planeta com água e rocha, assumiria que a água forma uma camada acima da rocha", disse ele. "O que descobrimos é que isso não é necessariamente verdade. Com calor e pressão suficientes, a fronteira entre rocha e água fica confusa".
Essa é uma nova idéia que precisará ser incorporada aos modelos de exoplanetas, disse Prakapenka.
"O ponto principal é que ele diz às pessoas que modelam a estrutura desses planetas que a composição é mais complicada do que pensávamos", disse Prakapenka. "Antes de acreditarmos que havia uma separação entre rocha e água, mas com base nesses estudos, não há limites nítidos".
Os cientistas já haviam conduzido experimentos semelhantes antes, disse Shim, mas foram baseados em um cenário semelhante à Terra, com pequenos incrementos de água. Observar essa nova transição de fase dá aos modeladores uma idéia melhor sobre a composição geológica real dos exoplanetas ricos em água e também insights sobre que tipos de vida podem chamar esses exoplanetas de lar.
"É um ponto de partida para construir a maneira como a química funciona nesses planetas", disse Shim. "Como a água interage com as rochas é importante para a vida na Terra e, portanto, também é importante entender o tipo de vida que pode estar em alguns desses mundos".
Shim reconhece que essa pesquisa não é a primeira coisa que se pode imaginar ao pensar em uma fonte de luz como a APS. Mas é exatamente essa diversidade que ele disse ser uma vantagem das instalações de usuários em larga escala.
"As pessoas dificilmente pensam em astrofísica quando falam sobre uma instalação de raios-X", disse ele. "Mas podemos usar uma instalação como a APS para entender um objeto distante demais para que possamos ver".
Mais informações: Carole Nisr et al., Grande solubilidade em H2O em sílica densa e suas implicações para o interior de planetas ricos em água, Proceedings of National Academy of Sciences (2020). DOI: 10.1073 / pnas.1917448117
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