Fuori dal nostro sistema solare, visibile solo come il punto più piccolo nello spazio anche con i telescopi più potenti, esistono altri mondi. Molti di questi mondi, gli astronomi hanno scoperto, possono essere molto più grandi della Terra e completamente coperti d'acqua, fondamentalmente pianeti oceanici senza masse terrestri sporgenti. Che tipo di vita potrebbe svilupparsi in un mondo del genere? Un habitat come questo potrebbe anche sostenere la vita?

Un team di ricercatori guidato dall'Arizona State University (ASU) ha recentemente deciso di indagare su queste domande. E dal momento che non potevano viaggiare verso esopianeti lontani per prelevare campioni, decisero di ricreare le condizioni di quei mondi acquatici in laboratorio. In questo caso, quel laboratorio era l'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE.

Cosa hanno trovato—pubblicato di recente in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze —era una nuova fase di transizione tra silice e acqua, indicando che il confine tra acqua e roccia su questi esopianeti non è così solido come lo è qui sulla Terra. Questa scoperta fondamentale potrebbe cambiare il modo in cui astronomi e astrofisici hanno modellato questi esopianeti, e informano il modo in cui pensiamo alla vita che si evolve su di loro.

Dan Shim, professore associato presso ASU, ha condotto questa nuova ricerca. Shim guida il laboratorio dell'ASU per i materiali terrestri e planetari ed è stato a lungo affascinato dalla composizione geologica ed ecologica di questi mondi lontani. Quella composizione, Egli ha detto, non assomiglia a nessun pianeta del nostro sistema solare:questi pianeti potrebbero avere più del 50% di acqua o ghiaccio in cima ai loro strati di roccia, e quegli strati rocciosi dovrebbero esistere a temperature molto elevate e sotto pressione schiacciante.

"Determinare la geologia degli esopianeti è difficile, poiché non possiamo usare telescopi o inviare rover sulle loro superfici, "Shim ha detto. "Così cerchiamo di simulare la geologia in laboratorio."

Come si fa a farlo? Primo, hai bisogno degli strumenti giusti. Per questo esperimento, Shim e il suo team hanno portato i loro campioni su due linee di luce APS:GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) sulla linea di luce 13-ID-D, gestito dall'Università di Chicago, e High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) presso la beamline 16-ID-B, gestito dalla divisione di scienze a raggi X di Argonne.

I campioni sono stati compressi in celle di incudine diamantate, essenzialmente due diamanti di qualità gemma con piccole punte piatte. Metti un campione tra di loro e puoi spremere i diamanti insieme, aumentando la pressione.

"Possiamo aumentare la pressione fino a più milioni di atmosfere, " ha detto Yue Meng, un fisico nella divisione di scienze a raggi X di Argonne e coautore dell'articolo. Meng è stato uno dei principali progettisti delle tecniche utilizzate in HPCAT, specializzata in alta pressione, esperimenti ad alta temperatura.

"L'APS è uno dei pochi posti al mondo in cui è possibile condurre questo tipo di ricerca all'avanguardia, " ha detto. "Gli scienziati della linea di luce, tecnici e ingegneri rendono possibile questa ricerca."

La pressione degli esopianeti, Shim ha detto, può essere calcolato, anche se i dati che abbiamo su questi pianeti sono limitati. Gli astronomi possono misurare la massa e la densità, e se si conoscono le dimensioni e la massa del pianeta, la giusta pressione può essere determinata.

Una volta che il campione è pressurizzato, i laser a infrarossi, che possono essere regolati a una larghezza inferiore alla larghezza di un globulo umano, vengono utilizzati per riscaldarlo. "Possiamo portare il campione fino a migliaia di gradi Fahrenheit, " disse Vitali Prakapenka, uno scienziato della linea di luce presso GSECARS, un professore di ricerca presso l'Università di Chicago e coautore del documento. "Abbiamo due laser ad alta potenza che brillano sul campione da entrambi i lati allineati con precisione con una sonda a raggi X APS ultra-luminosa e misurazioni della temperatura lungo i percorsi ottici con una precisione inferiore al micron".

La temperatura degli esopianeti è più difficile da misurare, perché sono tanti i fattori che lo determinano:la quantità di calore contenuta all'interno del pianeta, l'età del pianeta, e la quantità di isotopi radioattivi che decadono all'interno della struttura, sprigiona più calore. Il team di Shim ha calcolato un intervallo di temperature su cui lavorare.

Una volta che il campione è pressurizzato e riscaldato, i raggi X ultra luminosi dell'APS (che possono vedere attraverso i diamanti e nel campione stesso) possono consentire agli scienziati di scattare istantanee dei cambiamenti della struttura su scala atomica durante le reazioni chimiche mentre si verificano. In questo caso, Shim e il suo team hanno immerso una piccola quantità di silice nell'acqua, aumentato la pressione e la temperatura, e monitorato come i materiali avrebbero reagito.

Quello che hanno scoperto è che ad alta temperatura e pressione di circa 30 gigapascal (circa 300, 000 volte la pressione atmosferica standard sulla Terra), l'acqua e la roccia iniziano a fondersi.

"Se dovessi costruire un pianeta con acqua e roccia, supporresti che l'acqua formi uno strato sopra la roccia, " ha detto. "Quello che abbiamo scoperto è che non è necessariamente vero. Con abbastanza calore e pressione, il confine tra roccia e acqua diventa sfocato."

Questa è una nuova idea che dovrà essere incorporata nei modelli di esopianeti, ha detto Prakapenka.

"Il punto principale è che dice alle persone che modellano la struttura di questi pianeti che la composizione è più complicata di quanto pensassimo, " Disse Prakapenka. "Prima credevamo che ci fosse una separazione tra roccia e acqua, ma sulla base di questi studi, non c'è un confine netto."

Gli scienziati hanno già condotto esperimenti simili, Shim ha detto, ma quelli erano basati su un ambiente simile alla Terra con piccoli incrementi d'acqua. L'osservazione di questa nuova fase di transizione offre ai modellisti un'idea migliore dell'effettiva composizione geologica degli esopianeti ricchi di acqua, e anche intuizioni su quali tipi di vita potrebbero chiamare casa quegli esopianeti.

"È un punto di partenza per costruire il modo in cui funziona la chimica su questi pianeti, " Shim ha detto. "Il modo in cui l'acqua interagisce con la roccia è importante per la vita sulla Terra, e quindi, è anche importante capire il tipo di vita che potrebbe esserci su alcuni di questi mondi".

Shim riconosce che questa ricerca non è la prima cosa che si potrebbe immaginare quando si pensa a una fonte di luce come l'APS. Ma è esattamente questa diversità che, secondo lui, è un vantaggio delle strutture per gli utenti su larga scala.

"La gente difficilmente pensa all'astrofisica quando parla di una struttura a raggi X, " ha detto. "Ma possiamo usare una struttura come l'APS per capire un oggetto troppo distante per noi da vedere."