Sâu trong trái tim của thế giới ngoài hành tinh, các tinh thể hình thành dưới áp lực mạnh hơn tới 40 triệu lần so với áp suất khí quyển trên Trái đất và mạnh gấp 10 lần áp lực trong lõi hành tinh của chúng ta. Hiểu chúng tốt hơn có thể giúp chúng ta tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong thiên hà của chúng ta.
Ngay bây giờ, các nhà khoa học gần như không biết gì về những tinh thể bí ẩn này. Họ không biết làm thế nào và khi nào họ hình thành, họ trông như thế nào hoặc họ cư xử như thế nào. Nhưng câu trả lời cho những câu hỏi đó có thể có ý nghĩa to lớn đối với bề mặt của những thế giới đó - cho dù chúng được bao phủ trong dòng chảy magma hay băng, hoặc bị bắn phá bởi bức xạ từ các ngôi sao chủ của chúng. Câu trả lời, đến lượt nó, có thể ảnh hưởng đến khả năng các hành tinh này chứa chấp sự sống.
Nội thất của các ngoại hành tinh này rất bí ẩn đối với chúng ta bởi vì, trong hệ mặt trời của chúng ta, các hành tinh có xu hướng nhỏ và đá, như Trái đất và Sao Hỏa, hoặc lớn và khí quyển, như Sao Thổ và Sao Mộc. Nhưng trong những năm gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra cái gọi là "siêu Trái đất" - các hành tinh đá khổng lồ - và "Sao Hải Vương nhỏ" - các hành tinh khí nhỏ hơn tồn tại trong hệ mặt trời của chúng ta - phổ biến hơn trong phần còn lại của thiên hà.
Bởi vì những hành tinh này chỉ có thể được nhìn thấy như những tia sáng yếu ớt trong ánh sáng đến từ các ngôi sao chủ của chúng, phần lớn chúng vẫn còn bí ẩn. Chúng siêu nặng hay siêu rộng? Bề mặt của chúng được làm bằng gì? Họ có từ trường không? Các câu trả lời cho những câu hỏi đó, hóa ra, phụ thuộc rất nhiều vào cách thức đá và sắt trong lõi siêu áp của chúng hoạt động.
Giới hạn của khoa học hiện tại
Ngay bây giờ, sự hiểu biết của chúng ta về các ngoại hành tinh chủ yếu dựa trên việc tăng hoặc giảm những gì chúng ta biết về các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta, Diana Valencia, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Toronto, Canada, đã kêu gọi trong cuộc họp tháng 3 của người Mỹ Hiệp hội Vật lý (APS) cho các nhà vật lý khoáng sản khám phá những vật liệu ngoại hành tinh kỳ lạ này.
Vấn đề với cách tiếp cận mở rộng là bạn không thể thực sự hiểu được sắt sẽ hành xử như thế nào với áp lực gấp 10 lần lõi Trái đất chỉ bằng cách nhân lên, cô nói. Ở những áp lực to lớn đó, tính chất của hóa chất thay đổi căn bản.
"Chúng tôi hy vọng sẽ tìm thấy các tinh thể bên trong các siêu Trái đất không tồn tại trên Trái đất hoặc bất kỳ nơi nào khác trong tự nhiên", Lars Stixrude, nhà vật lý khoáng sản lý thuyết tại Đại học California, Los Angeles, người đã thực hiện công việc lý thuyết cơ bản để tính toán các tính chất của các vật liệu cực đoan này. "Đây sẽ là sự sắp xếp độc đáo của các nguyên tử chỉ tồn tại ở áp suất rất cao."
Những sự sắp xếp khác nhau này xảy ra, ông nói với Live Science, bởi vì những áp lực to lớn về cơ bản thay đổi cách các nguyên tử liên kết với nhau. Trên bề mặt Trái đất và thậm chí sâu bên trong hành tinh của chúng ta, các nguyên tử liên kết với nhau chỉ bằng cách sử dụng các electron trong lớp vỏ ngoài của chúng. Nhưng ở áp suất siêu Trái đất, các electron gần hạt nhân nguyên tử hơn tham gia và thay đổi hoàn toàn hình dạng và tính chất của vật liệu.
Và những tính chất hóa học đó có thể ảnh hưởng đến hành vi của toàn bộ các hành tinh. Chẳng hạn, các nhà khoa học biết rằng siêu trái đất bẫy rất nhiều nhiệt. Nhưng họ không biết bao nhiêu - và câu trả lời cho câu hỏi đó có ý nghĩa chính đối với các núi lửa và kiến tạo mảng của các hành tinh đó. Ở áp suất bên trong của Trái đất, các phần tử nhẹ hơn bị lẫn vào lõi sắt, tác động đến từ trường của hành tinh - nhưng điều đó có thể không xảy ra ở áp suất cao hơn. Ngay cả kích thước vật lý của siêu trái đất cũng phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của các hợp chất trong lõi của chúng.
Nhưng không có các hành tinh thuộc loại này để nghiên cứu gần trong hệ mặt trời của chúng ta, Valencia cho biết, các nhà khoa học phải chuyển sang các tính toán và thí nghiệm vật lý cơ bản để trả lời các loại câu hỏi này. Nhưng những tính toán đó thường đưa ra những câu trả lời mở, Stixrude nói. Còn về thí nghiệm?
"Những áp lực và nhiệt độ đó vượt quá khả năng của hầu hết các công nghệ và thí nghiệm chúng ta có ngày nay", ông nói.
Xây dựng một siêu trái đất trên Trái đất thông thường
Trên trái đất, các thí nghiệm áp suất cực đoan nhất liên quan đến việc nghiền nát các mẫu nhỏ giữa các điểm được mài sắc của hai viên kim cương công nghiệp.
Nhưng những viên kim cương đó có xu hướng vỡ tan rất lâu trước khi đạt đến áp lực siêu Trái đất, Stixrude nói. Để khắc phục những hạn chế của kim cương, các nhà vật lý đang chuyển sang các thí nghiệm nén động, thuộc loại được thực hiện bởi nhà vật lý khoáng sản Tom Duffy và nhóm của ông tại Đại học Princeton.
Những thí nghiệm này tạo ra nhiều áp lực giống như Trái đất hơn, nhưng chỉ cho các phân số của một giây.
"Ý tưởng là, bạn chiếu xạ một mẫu bằng tia laser công suất rất cao và bạn làm nóng nhanh bề mặt của mẫu đó và bạn thổi ra một plasma", Duffy, người chủ trì phiên APS nơi Valencia nói, nói với Live Science.
Các bit của mẫu, đột nhiên nóng lên, nổ tung trên bề mặt, tạo ra một sóng áp lực di chuyển qua mẫu.
"Nó thực sự giống như một hiệu ứng tàu tên lửa," Duffy nói.
Các mẫu liên quan là rất nhỏ - gần như bằng phẳng, và chỉ khoảng một milimet vuông trên diện tích bề mặt, ông nói. Và toàn bộ sự việc kéo dài một vấn đề nano giây. Khi sóng áp suất đến mặt sau của mẫu, toàn bộ vật bị vỡ ra. Nhưng qua những quan sát cẩn thận trong những xung ngắn ngủi đó, Duffy và các đồng nghiệp đã tìm ra mật độ và thậm chí cả cấu trúc hóa học của sắt và các phân tử khác dưới áp lực chưa từng thấy trước đây.
Vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được trả lời, nhưng tình trạng kiến thức trong lĩnh vực này đang thay đổi nhanh chóng, Valencia nói. Chẳng hạn, bài báo đầu tiên về cấu trúc của siêu Trái đất (mà Valencia xuất bản vào tháng 2 năm 2007 trên Tạp chí Vật lý thiên văn khi là sinh viên tốt nghiệp tại Harvard) đã lỗi thời vì các nhà vật lý đã thu được thông tin mới về các hóa chất bên trong hành tinh của chúng ta.
Trả lời những câu hỏi này rất quan trọng, Duffy nói, bởi vì chúng có thể cho chúng ta biết liệu thế giới ngoài hành tinh xa xôi có những đặc điểm như kiến tạo mảng, magma chảy và từ trường - và do đó, liệu chúng có thể hỗ trợ sự sống hay không.
