Najdublji dijelovi nekih super-Zemalja možda nisu golemi oceani magme, nego slojevi stijene koji ostaju čvrsti pod tlakom kakav ne postoji u Zemljinoj unutrašnjosti. Nova računalna studija pokazuje da se jedan od minerala koji bi ondje mogao prevladavati tali tek pri temperaturama koje nadmašuju većinu procjena za duboke plašteve masivnih stjenovitih planeta.
Super-Zemlje nisu svi isti svjetovi. Taj se naziv koristi za planete veće ili masivnije od Zemlje, ali manje od ledenih divova poput Urana i Neptuna. Neki bi mogli biti pretežno stjenoviti, drugi obavijeni gustom atmosferom ili bogati vodom. Više o toj raznolikoj skupini pročitajte u vodiču Što je Super-Zemlja i kako nastaju takvi planeti.
Nova studija odnosi se na velike stjenovite planete čiji je plašt po sastavu približno sličan Zemljinu. Autori su proučavali magnezijev ortosilikat, spoj formule Mg₂SiO₄, jedan od važnih građevnih materijala stjenovitih planeta.
Pri uvjetima kakvi mogu vladati duboko u super-Zemljama taj mineral poprima posebnu kristalnu strukturu nazvanu post-post-spinel. Prema proračunima, tali se tek između 9.780 i 14.897 kelvina, odnosno pri približno 9.500 do 14.600 °C, ovisno o tlaku.
To nisu temperature izmjerene na nekom konkretnom egzoplanetu. Riječ je o temperaturama pri kojima bi taj mineral, pod pretpostavljenim tlakom, prešao iz čvrstoga u rastaljeno stanje.
Tlak u dubini planeta mijenja raspored atoma
Plašt je golemi stjenoviti sloj između površine planeta i njegove metalne jezgre. Na Zemlji se već u dubini događaju promjene minerala koje na površini ne postoje. U unutrašnjosti super-Zemalja tlak može biti višestruko veći.
Pod takvim pritiskom kemijski sastav minerala može ostati isti, ali se atomi preslože u drukčiji kristalni raspored. Mg₂SiO₄ tako u najdubljim dijelovima velikih stjenovitih planeta može prijeći u strukturu post-post-spinela, za koju znanstvenici smatraju da bi ondje mogla biti vrlo česta.
Važno je što je taj mineral izrazito otporan na taljenje. Simulacije su obuhvatile tlakove do 1.300 gigapaskala, približno 13 milijuna puta veće od tlaka zraka na razini mora. U takvim uvjetima toplina sama po sebi ne mora biti dovoljna da duboki plašt pretvori u ocean magme.
Računalni proračun umjesto nemogućeg pokusa
Uvjeti u najdubljim dijelovima super-Zemalja gotovo su nedostižni za laboratorijske pokuse. Zato su istraživači koristili računalne proračune utemeljene na fizici atoma kako bi usporedili ponašanje čvrstog minerala i njegove rastaljene faze.
Dobivene vrijednosti zatim su usporedili s procijenjenim temperaturama u unutrašnjosti stjenovitih planeta mase pet i deset Zemalja. Rezultat sugerira da bi duboki plaštevi mnogih velikih, relativno hladnijih i željezom siromašnijih stjenovitih planeta mogli ostati većinom čvrsti.
To je važna ograda cijelog rada. Studija ne otkriva unutrašnjost nijednog konkretnog planeta. Njezin je zaključak uži: kod nekih masivnih stjenovitih super-Zemalja najdublji dio plašta možda ne prelazi u rastaljeno stanje. Rezultat ovisi o masi i kemijskom sastavu planeta, količini željeza i hlapljivih tvari te o toplini koju je zadržao nakon nastanka.
Čvrst plašt ne znači nepomičnu stijenu
Čvrsta stijena duboko u planetu ne ponaša se kao stijena pod našim nogama. Tijekom milijuna godina može se vrlo sporo deformirati i kružiti kroz plašt. Ipak, takav materijal prenosi toplinu i miješa kemijske sastojke drukčije od golemog rastaljenog oceana magme.
Ako je duboki plašt vrlo viskozan i uglavnom čvrst, planeta bi se mogla hladiti sporije. To bi utjecalo na unutarnja strujanja materijala, raspodjelu topline i dugoročnu geološku povijest planeta.
Moguća je i neizravna veza s magnetskim poljem. Ono nastaje gibanjem rastaljenog, električno vodljivog metala u jezgri, ali brzina kojom se jezgra hladi djelomično ovisi o plaštu iznad nje. Autori nisu računali magnetska polja pojedinih planeta, no njihov rezultat bit će važan za buduće modele planetarnih dinama.
Oceani magme nisu odbačeni
Rad ne znači da su super-Zemlje hladni i potpuno čvrsti svjetovi. Vrlo mladi planeti, osobito vrući svjetovi ili oni s drukčijim kemijskim sastavom, mogu i dalje imati duboke rastaljene slojeve.
To nije u suprotnosti s ranijim modelima egzoplaneta kod kojih se pretpostavljaju oceani magme. Isto tako, prethodno sam pisao o planetu L 98-59 d za koji modeli upućuju na dugotrajan ocean magme. Svaka super-Zemlja nosi vlastitu kombinaciju mase, sastava i toplinske povijesti.
Najvažnija poruka nove studije jest da temperatura nije jedini faktor koji određuje što se događa duboko u planetu. Pri dovoljno velikom tlaku stijena može ostati čvrsta i ondje gdje bismo očekivali golemu količinu magme.
