Sabemos mucho sobre el interior de la Tierra. Sabemos que tiene un núcleo interno y un núcleo externo y que la agitación y la rotación crean una magnetosfera protectora que protege la vida del poder radiativo del Sol. Tiene un manto, principalmente sólido pero también hogar de magma. Sabemos que tiene una corteza, donde vivimos, y placas tectónicas que mueven los continentes como juguetes.
Pero, ¿qué pasa con las Super-Tierras? Sabemos que están ahí afuera; los hemos encontrado. ¿Qué sabemos de su interior? La estructura de la Tierra y su capacidad para albergar vida están formadas por la extrema presión y densidad en su interior. La presión y la temperatura dentro de las Super-Tierras son aún más poderosas. ¿Cómo da forma a estos planetas y afecta su habitabilidad?
Las súper-Tierras son planetas más masivos que la Tierra, pero no tan masivos como los planetas gigantes de hielo de nuestro Sistema Solar, Urano y Neptuno. Urano y Neptuno son 14,5 y 17 veces más masivos que la Tierra. En general, una Súper-Tierra es aproximadamente dos veces más masiva que la Tierra a diez veces más masiva que la Tierra. No existen definiciones firmes para Super-Tierras, y diferentes fuentes usan diferentes categorías de masa.
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De los casi 5000 exoplanetas confirmados, la NASA llama a 1539 de ellos Súper-Tierras. Las supertierras se definen por sus masas, no por su composición u otras características. Hay muchos de ellos, y algunos de nuestros vecinos estelares más cercanos parecen albergar Super-Tierras. Existen diferentes clasificaciones para las Super-Tierras según sus densidades y composiciones. Pero muchos de ellos tienen densidades similares a las de la Tierra y probablemente tengan una composición similar.
Esta captura de pantalla del sitio web de exoplanetas de la NASA muestra los tipos de planetas descubiertos más allá de nuestro Sistema Solar. Crédito de la imagen: NASA
Un equipo de investigadores de la Universidad Carnegie y otras instituciones investigó el efecto de la presión y la temperatura extremas en los minerales dentro de las Super-Tierras. Realizaron experimentos de laboratorio para simular sus interiores. Sometieron a los minerales a presiones y temperaturas extremas para ver qué les sucedería en los mantos de este tipo común de planeta.
El documento es "Fase de ocho coordenadas desordenada de ultra alta presión de Mg 2 GeO 4: Análogo para mantos de súper-Tierra". El autor principal es Rajkrishna Dutta, becario postdoctoral en el Laboratorio de Tierra y Planetas de Carnegie. El artículo se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.
La dinámica interior de la Tierra sustenta la vida de diferentes maneras. La magnetosfera generada por el núcleo es unidireccional. La magnetosfera aleja la radiación solar dañina de la superficie del planeta y evita que el viento solar destruya la atmósfera.
En la Tierra, la tectónica de placas y la convección del manto tienen un efecto termostático sobre el clima. Los volcanes liberan material caliente y CO2 a la atmósfera terrestre, evitando que la Tierra se enfríe demasiado. Los mismos procesos regulan la cantidad de CO2 mediante la subducción de carbonatos a la roca con la ayuda de la lluvia. La tectónica de placas también crea la química compleja necesaria para la vida. Entonces, los científicos creen que la tectónica de placas y la convección del manto juegan un papel fundamental en la apariencia de la vida y la habitabilidad continua de la Tierra.
¿Cómo afectarían las condiciones extremas dentro de una Super-Tierra a su habitabilidad?
"La dinámica interior de nuestro planeta es crucial para mantener un entorno superficial donde la vida pueda prosperar, impulsando la geodinamo que crea nuestro campo magnético y dando forma a la composición de nuestra atmósfera", explicó Rajkrishna Dutta de Carnegie, autor principal del artículo. Las condiciones que se encuentran en las profundidades de los exoplanetas gigantes y rocosos, como las supertierras, serían aún más extremas.
Los minerales de silicato constituyen la mayor parte de la corteza terrestre. La alta temperatura y la presión ejercida sobre los minerales de silicato crean límites clave entre el manto superior e inferior en las profundidades de nuestro planeta. Los estudios de exoplanetas rocosos muestran que también podrían tener costras de silicato. Exhiben la misma densidad, aproximadamente, que la Tierra.
Dado que las Súper-Tierras pueden ser mucho más masivas que la Tierra, la temperatura y la presión dentro de ellas serían incluso más extremas que en la Tierra. Los investigadores querían probar esas condiciones y el efecto que tienen sobre los minerales de silicato. Querían saber si surgirían nuevos tipos de silicatos y si se comportarían de manera diferente.
Los minerales de silicato constituyen la mayor parte del manto de la Tierra y se cree que son un componente importante del interior de otros planetas rocosos. En la Tierra, los cambios estructurales inducidos en los silicatos bajo condiciones de alta presión y temperatura definen límites clave en el interior profundo de la Tierra. El equipo de investigación estaba interesado en investigar la aparición y el comportamiento de nuevas formas de silicato en condiciones que imitan a las que se encuentran en mundos distantes. La ilustración es cortesía de Kalliopi Monoyios.
En condiciones normales, la mayoría de los silicatos se organizan en la misma orientación llamada estructura tetraédrica. Una estructura tetraédrica tiene un átomo central unido a otros cuatro átomos.
Este es un modelo de bola 3D de una molécula tetraédrica. Un átomo central está ubicado en el centro, con cuatro sustituyentes ubicados en las esquinas de un tetraedro. Crédito de imagen: Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1454649
Mg 2 SiO 4 , también conocido como Forsterita, es uno de los minerales de silicato más abundantes en el manto de la Tierra por encima de los 400 km (250 millas). Es probable que también sea abundante en las supertierras rocosas. El modelado muestra que surgen nuevas fases de silicatos en temperaturas y presiones extremas dentro de las Super-Tierras, pero no hay forma de observarlas. Los cálculos muestran que se requieren alrededor de 490 GPa de presión para que surjan nuevas fases de silicato. Pero no hay forma de simular esa presión.
Afortunadamente, los científicos pueden usar un análogo para los silicatos que responde de la misma manera pero a temperaturas y presiones menos extremas. Ese análogo es germanio. Específicamente, es germanato de magnesio o Mg2GeO4. Los cálculos muestran que el germanato de magnesio también cambia a una nueva fase a alta presión, pero el umbral es más bajo. Surgen nuevas fases a unos 175 GPa, y esa presión se puede crear en un laboratorio.
El equipo de investigación usó un yunque de diamante para someter muestras de Mg2GeO4 a una presión extrema y luego las calentó con un láser. Expusieron el germanato de magnesio a dos millones de veces la presión atmosférica normal de la Tierra y observaron cómo emergía una nueva estructura cristalina.
A 2 millones de atmósferas, el átomo de germanio central se unió con ocho átomos de oxígeno en lugar de cuatro. El nuevo mineral se denomina "mineral intrínsecamente discordante de ocho coordenadas" y podría afectar sustancialmente la temperatura interna y la dinámica de las Super-Tierras.
Trabajando con germanato de magnesio, Mg2GeO4, análogo a uno de los minerales de silicato más abundantes del manto, el equipo obtuvo información sobre la mineralogía potencial de las supertierras y otros exoplanetas rocosos gigantes. Bajo aproximadamente 2 millones de veces la presión atmosférica normal, surgió una nueva fase con una estructura cristalina distinta que involucra un germanio unido a ocho oxígenos. Los científicos esperan que el nuevo mineral intrínsecamente discordante de ocho coordenadas afecte fuertemente la temperatura interna y la dinámica de estos planetas. Imagen cortesía de Rajkrishna Dutta.
"El descubrimiento de que, bajo presiones extremas, los silicatos podrían adoptar una estructura orientada en torno a seis enlaces, en lugar de cuatro, cambió totalmente las reglas del juego en cuanto a la comprensión de los científicos sobre la dinámica de la Tierra profunda", explicó la coautora del estudio, Sally June Tracy. Tracy se refiere al descubrimiento de silicato-perovskita (ahora llamada bridgmanita) y post-perovskita. La perovskita es una estructura mineral que solo se forma bajo alta presión. No es estable en la superficie de la Tierra y existe principalmente en la parte inferior del manto terrestre. Los científicos descubrieron por primera vez la perovskita de silicato natural en un meteorito fuertemente impactado.
El descubrimiento de una orientación óctuple podría tener implicaciones igualmente revolucionarias sobre cómo pensamos sobre la dinámica de los interiores de los exoplanetas, dijo Tracy.
Las discontinuidades sísmicas crean los límites entre el núcleo, el manto y la corteza de la Tierra. Una discontinuidad sísmica es un salto repentino en la velocidad sísmica a través de un límite. Las diferentes estructuras de los minerales bajo alta presión y temperatura ayudan a crear estas discontinuidades. Entonces, en efecto, la estructura de los minerales contribuye a regular el flujo de calor desde el interior del planeta hacia la superficie y también a la tectónica de placas. Como resultado, la estructura de los minerales es una gran parte de lo que determina la habitabilidad.
Los minerales determinan los límites en el núcleo de la Tierra bajo diferentes presiones y temperaturas dentro del planeta. Esta figura muestra la presión a medida que aumenta con la profundidad en verde. También muestra los cambios de velocidad en las ondas sísmicas S (rojo) y P (azul). Las discontinuidades sísmicas coinciden con cambios minerales. Crédito de la imagen: Universidad de Maryland
En un intercambio de correos electrónicos con Universe Today, el autor principal del estudio, Rajkrishna Dutta, explicó el panorama general.
El germanato es un análogo del silicato. Por lo tanto, esperamos ver una fase de ocho coordenadas de silicato en el manto profundo de los grandes planetas súper terrestres. Tener una fase de ocho coordenadas sugiere una estructura cristalina más compacta y densa.
¿Cómo afecta una estructura cristalina más compacta y densa al interior de un planeta?
Una transición desde la posperovskita de seis coordenadas conduce a una diferencia significativa (~2,5%) en el volumen. Esto sugiere la posibilidad de una discontinuidad sísmica en el manto de esos planetas gigantes. Dependiendo de la pendiente de la transición (que se espera que sea negativa), esto puede crear una capa límite para las placas de subducción y la convección del manto.
La pregunta es, ¿cómo afectará esto exactamente a la habitabilidad potencial de las Super-Tierras? La estructura interior de la Tierra juega un papel considerable en el mantenimiento de la habitabilidad. Lo mismo debe ser cierto en las Super-Tierras.
La impresión de este artista muestra el planeta K2-18b, su estrella anfitriona y un planeta acompañante en este sistema. A partir de 2019, K2-18b es el único exoplaneta súper-Tierra conocido por albergar agua y temperaturas que podrían albergar vida. ¿Qué papel juega la estructura interior del planeta en la habitabilidad potencial? Crédito de la imagen: ESA/Hubble, M. Kornmesser
No se sabe mucho sobre la geología de los grandes exoplanetas. Nuestro estudio aún es preliminar y se necesita más trabajo para comprender el efecto de la estructura en las propiedades termodinámicas y reológicas de esta estructura. Pero, curiosamente, esta estructura está desordenada, por lo que los dos cationes de tamaños muy diferentes ocupan el mismo sitio. Esto sugiere que, en condiciones tan extremas, los materiales pueden comportarse de manera muy diferente y experimentar una mayor mezcla química, explicó Dutta.
Estudios previos sobre Super-Tierras han producido resultados diferentes. Algunas investigaciones muestran que las Súper-Tierras tienen una actividad geológica mucho más poderosa que la Tierra. Las placas tectónicas serían más delgadas y estarían bajo más estrés, por lo que la tectónica de placas sería más vigorosa. Otra investigación muestra que las Súper-Tierras tendrían cortezas mucho más fuertes que inhiben la tectónica de placas. Y no existe un acuerdo generalizado entre los científicos de que la tectónica de placas sea necesaria para la vida.
Desafortunadamente, no estamos cerca de comprender la estructura interior y la dinámica de los exoplanetas distantes. El módulo de aterrizaje InSight está recopilando datos sobre el interior de Marte, lo que nos dará un conjunto de datos más sobre los interiores de los planetas. Pero no estamos cerca de una comprensión completa de los interiores de los exoplanetas.
El módulo de aterrizaje InSight está recopilando datos sobre el interior de Marte. Aunque Marte está lejos de ser una Súper Tierra, los datos que recopila InSight ayudarán a los científicos a comprender mejor los interiores planetarios en general. El instrumento SEIS (Experimento Sísmico para Estructura Interior) está bajo la protección blanca en esta imagen. Crédito de la imagen: NASA/JPL
Sin embargo, eso no significa que no haya progreso por hacer.
Pero la comprensión del interior de estos planetas se basa principalmente en experimentos de laboratorio y cálculos teóricos, dijo Dutta. Este es un dominio donde se requiere mucho trabajo colaborativo entre geocientíficos, astrofísicos y químicos. Con más experimentos y modelos, creemos que podemos obtener una imagen más clara de estos interiores planetarios.
Ese trabajo solo aumentará a medida que descubramos más y más exoplanetas.
Así como el descubrimiento de germanatos/silicatos coordinados en seis partes y muy extendidos alteró profundamente nuestra comprensión de la química de los cristales de silicato y su papel en el interior profundo de la Tierra, el descubrimiento de un germanato intrínsecamente desordenado y coordinado en ocho partes abre la posibilidad de cristales previamente inexplorados. comportamiento químico en los minerales de silicato de grandes exoplanetas rocosos, escriben los autores en su conclusión.
Más:
- Comunicado de prensa: ¿Qué está pasando en las profundidades de los mundos distantes?
- Nueva investigación: Fase de ocho coordenadas desordenada de ultra alta presión de Mg2GeO4: Análogo para mantos de súper-Tierra
- Universo hoy: se encuentra un superplaneta terrestre alrededor de una de las estrellas más cercanas a nosotros. Pero es probablemente un terrible lugar para vivir
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¿Qué planeta se conoce como súper-Tierra?
Kepler-186f es el primer planeta del tamaño de la Tierra descubierto en la potencialmente 'zona habitable' alrededor de otra estrella, donde podría existir agua líquida en la superficie del planeta.
¿Podríamos vivir en la súper-Tierra?
Vivir en una Súper Tierra requeriría una súper fuerza. Si la Tierra fuera 10 veces más grande, la gravedad sería 10 veces más fuerte. Esto se basa en la fórmula de Área de superficie = Masa/Radio al cuadrado. ¡Un trote corto en una Súper Tierra se sentiría como correr un maratón!
¿Qué es la nueva súper-Tierra?
Las súper-Tierras, una clase de planetas diferente a cualquier otro en nuestro sistema solar, son más masivas que la Tierra pero más livianas que los gigantes de hielo como Neptuno y Urano, y pueden estar hechas de gas, roca o una combinación de ambos. Tienen entre el doble del tamaño de la Tierra y hasta 10 veces su masa.
Es super-Tierra en nuestro sistema solar
El Sistema Solar no contiene súper-Tierras conocidas, porque la Tierra es el planeta terrestre más grande del Sistema Solar, y todos los planetas más grandes tienen al menos 14 veces la masa de la Tierra y atmósferas gaseosas espesas sin superficies rocosas o acuosas bien definidas; es decir, son gigantes gaseosos o gigantes de hielo, no