La fisica e la chimica che si svolgono nel profondo del nostro pianeta sono fondamentali per l'esistenza della vita come la conosciamo. Ma quali forze operano all'interno di mondi lontani e in che modo queste condizioni influenzano il loro potenziale di abitabilità?

Il nuovo lavoro condotto dal Laboratorio Terra e Pianeti di Carnegie utilizza il mimetismo di laboratorio per rivelare una nuova struttura cristallina che ha importanti implicazioni per la nostra comprensione degli interni di grandi esopianeti rocciosi. I loro risultati sono pubblicati da Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Le dinamiche interne del nostro pianeta sono cruciali per mantenere un ambiente superficiale in cui la vita può prosperare, guidando la geodinamo che crea il nostro campo magnetico e modellando la composizione della nostra atmosfera", ha spiegato Rajkrishna Dutta di Carnegie, l'autore principale. "Le condizioni che si trovano nelle profondità di grandi esopianeti rocciosi come le super-Terre sarebbero ancora più estreme."

I minerali di silicato costituiscono la maggior parte del mantello terrestre e si pensa che siano un componente importante anche degli interni di altri pianeti rocciosi, in base ai calcoli della loro densità. Sulla Terra, i cambiamenti strutturali indotti nei silicati in condizioni di alta pressione e temperatura definiscono i confini chiave nelle profondità interne della Terra, come quello tra il mantello superiore e quello inferiore.

Il gruppo di ricerca, che comprendeva Sally June Tracy della Carnegie, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo e Jing Yang, nonché Pamela Burnley dell'Università del Nevada Las Vegas, Dean Smith e Yue Meng dell'Argonne National Laboratory, Stella Chariton e Vitali Prakapenka dell'Università di Chicago e Thomas Duffy dell'Università di Princeton erano interessati a sondare l'emergere e il comportamento di nuove forme di silicato in condizioni che imitavano quelle che si trovano in mondi lontani.

"Per decenni, i ricercatori di Carnegie sono stati leader nel ricreare le condizioni degli interni dei pianeti mettendo piccoli campioni di materiale a pressioni immense e temperature elevate", ha affermato Duffy.

Ma ci sono limitazioni alla capacità degli scienziati di ricreare le condizioni degli interni esoplanetari in laboratorio. La modellazione teorica ha indicato che nuove fasi di silicato emergono sotto le pressioni che ci si aspetta si trovino nei mantelli di esopianeti rocciosi che sono almeno quattro volte più massicci della Terra. Ma questa transizione non è stata ancora osservata.

Tuttavia, il germanio è un buon sostituto del silicio. I due elementi formano strutture cristalline simili, ma il germanio induce transizioni tra fasi chimiche a temperature e pressioni inferiori, che sono più gestibili da creare negli esperimenti di laboratorio.

Lavorando con il germanato di magnesio, Mg₂ GeO₄ , analogo a uno dei minerali di silicato più abbondanti del mantello, il team è stato in grado di raccogliere informazioni sulla potenziale mineralogia delle super-Terre e di altri grandi esopianeti rocciosi.

Sotto circa 2 milioni di volte la normale pressione atmosferica è emersa una nuova fase con una struttura cristallina distinta che coinvolge un germanio legato con otto ossigeni.

"La cosa più interessante per me è che magnesio e germanio, due elementi molto diversi, si sostituiscono a vicenda nella struttura", ha detto Cohen.

In condizioni ambientali, la maggior parte dei silicati e dei germanati sono organizzati in quella che viene chiamata una struttura tetraedrica, un silicio centrale o germanio legato con altri quattro atomi. Tuttavia, in condizioni estreme, questo può cambiare.

"La scoperta che sotto pressioni estreme, i silicati potrebbero assumere una struttura orientata attorno a sei legami, anziché quattro, è stata una vera svolta in termini di comprensione da parte degli scienziati delle dinamiche profonde della Terra", ha spiegato Tracy. "La scoperta di un orientamento ottuplice potrebbe avere implicazioni altrettanto rivoluzionarie per il modo in cui pensiamo alle dinamiche degli interni degli esopianeti".