Sauerstoffreiche Exoplaneten können geologisch aktiv sein

Bescheidener Sauerstoff ist mehr als nur ein Baustein des Lebens. Das Element könnte Wissenschaftlern auch helfen, einen Blick in das Innere von Planeten zu werfen, die weit entfernte Sterne umkreisen, schlägt eine neue Studie vor.

Laborexperimente zeigen, dass Gesteine, die höheren Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt sind bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als Gesteine, die geringeren Mengen ausgesetzt sind. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass sauerstoffreiche felsige Exoplaneten eine dicke Schicht suppigen Mantels haben könnten, was möglicherweise zu einer geologisch aktiven Welt führt, berichten Forscher am 9. November Proceedings of the National Academy of Sciences.

Es wird angenommen, dass ein klebriges Interieur tiefgreifende Auswirkungen auf einen felsigen Planeten hat. Geschmolzenes Gestein tief im Inneren eines Planeten ist das Magma, das die geologische Aktivität an der Oberfläche antreibt, wie es auf der Erde passiert (SN: 31.07.13). Bei Vulkanausbrüchen können flüchtige Stoffe wie Wasserdampf und Kohlendioxid aus dem magmatischen Schlamm versprudeln und eine potenziell lebensfreundliche Atmosphäre schaffen (SN: 03.09.19). Aber die Faktoren, die das Schmelzen des Mantels auf der Erde antreiben, sind nicht gut verstanden, und Wissenschaftler haben sich eher auf die Rolle von Metallen wie Eisen konzentriert.

Der Einfluss von Sauerstoff auf das Schmelzen von Gestein wurde übersehen, sagt Yanhao Lin, ein Planetenwissenschaftler am Zentrum für fortgeschrittene Wissenschafts- und Technologieforschung unter Hochdruck in Peking. Sauerstoff sei eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und wahrscheinlich auch auf felsigen Exoplaneten, sagt er. Daher könnten andere Wissenschaftler zuvor gedacht haben, dass ein Element einfach zu häufig vorkommt, um eine so buchstäblich welterschütternde Rolle zu spielen, fügt Lin hinzu.

In der neuen Studie haben Lin und Kollegen die Schmelztemperaturen von synthetischem, eisenfreiem Basaltgestein unter Gestein in zwei Umgebungen gemessen: unter sauerstoffarmen Bedingungen und in sauerstoffreicher Luft. Das Team verwendete das künstliche Gestein, um die Wirkung von Sauerstoff auf das Schmelzen zu isolieren und die Auswirkungen von Eisen auszuschließen, das auch das Schmelzen des Gesteins beeinflussen kann.

Als das geschmolzene Gestein auf weniger als 1000° Celsius abkühlte, blieben die Mineralien im sauerstoffreichen Basalt länger geschmolzen als in den sauerstoffarmen Proben, beobachtete das Team. Die mit Sauerstoff angereicherten Gesteine ​​erstarrten durchweg bei Temperaturen, die 100° Celsius niedriger waren als ihre Gegenstücke.

So wie Salz die Schmelztemperatur von Eis senkt, erleichtert Sauerstoff das Schmelzen von Gesteinen, schlussfolgern die Forscher. Lin Hypothesen dass Sauerstoff lange Ketten von Silizium- und Sauerstoffatomen in festem Gestein aufbrechen und sie dazu bringen kann, kleinere Stücke zu bilden. Diese Fragmente sind beweglicher und können leichter fließen als die längeren, verworrenen Gruppen.

Der Grad der Oxidation könnte bestimmen, wie sich das sirupartige Innere eines jungen Exoplaneten schließlich in unterirdischen Schichten absetzt. Ein stärker oxidierter und schmelzanfälliger Darm bei niedrigeren Temperaturen kann zu einem kleineren festen Kern, einem dickeren schlammigen Mantel und einer metallarmen krustigen Schale führen, sagen die Forscher.

Eine Einschränkung der Arbeit ist, dass die Forscher den Einfluss von nur Sauerstoff auf die Schmelztemperatur von Gesteinen getestet haben. Das Team muss noch andere Faktoren wie Eisenkonzentration und Hochdruck berücksichtigen, die wahrscheinlich auch Teil vieler realer Exoplaneten-Innenräume sind. Diese zusätzlichen Faktoren werden das Schmelzen weiter induzieren, prognostiziert Lin.

Die Ergebnisse seien „ein sehr guter Versuch“, sagt der nicht an der Studie beteiligte Planetenforscher Tim Lichtenberg von der Universität Oxford. Andere Vorbehalte gegen das Schmelzen des Mantels könnten den Beitrag von Sauerstoff übertreffen, aber die neuen Ergebnisse seien immer noch nützlich, sagt er. Das Verständnis der potenziellen Auswirkungen von Sauerstoff könnte beispielsweise wertvoll sein, um das Innenleben und die Geschichte jedes Exoplaneten zu erklären, auf den Wissenschaftler bei ihren astronomischen Beobachtungen stoßen. Dieses Verständnis könnte noch wertvoller – und zweckmäßiger – sein, da sich Wissenschaftler darauf vorbereiten, das neu gestartete James Webb-Weltraumteleskop zu verwenden, um die Atmosphären anderer Welten zu untersuchen (SN: 10/6/21).

Laborexperimente können natürlich nicht alle Nuancen des realen Planeteninneren erfassen. Aber die Arbeit ist notwendig, um die Formulierung von Theorien darüber zu leiten – und zu bestätigen –, wie bestimmte Arten von Exoplaneten entstanden sind, sagt Lichtenberg. Simulationen können dann die Reichweite experimenteller Ergebnisse erweitern, wenn sie mit anderen Techniken wie der Modellierung kombiniert werden.

„Beobachtungen, Modellierungen und Experimente“, sagt Lichtenberg, „es gibt ein Dreierlei.“ Diese drei Zinken ernähren sich gegenseitig, um die Exoplaneten-Wissenschaft als Ganzes voranzubringen, lange bevor die Menschheit jemals einen Fuß auf so weit entfernte Welten setzt.


Source: Science News by www.sciencenews.org.

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