Dypt i hjertet av fremmede verdener dannes krystaller under trykk som er opptil 40 millioner ganger mer intense enn det atmosfæriske trykket på jorden, og så mye som 10 ganger mer intenst enn trykket i planeten vår kjerne. Å forstå dem bedre kan hjelpe oss med å søke etter et annet sted i galaksen.
Akkurat nå vet forskere nesten ingenting om disse mystiske krystallene. De vet ikke hvordan og når de dannes, hvordan de ser ut eller hvordan de oppfører seg. Men svarene på disse spørsmålene kan ha enorme implikasjoner for overflaten til disse verdenene - enten de er dekket av enten flytende magma eller is, eller blir bombardert med stråling fra vertsstjernene. Svaret på sin side kan påvirke muligheten for at disse planetene har liv.
Interiøret i disse eksoplanetene er mystisk for oss fordi planeter i solsystemet vårt er enten små og steinete, som Jorden og Mars, eller store og gassete, som Saturn og Jupiter. Men de siste årene har astronomer funnet ut at såkalte "super-Earths" - gigantiske steinete planeter - og "mini-Neptunes" - mindre gassplaneter enn det som finnes i vårt solsystem - er mer vanlig i resten av vår galakse.
Fordi disse planetene bare kan sees som svake flimmer i lyset som kommer fra vertsstjernene, er mye om dem fortsatt mystisk. Er de super tette eller superomfattende? Hva er overflatene deres laget av? Har de magnetiske felt? Svarene på disse spørsmålene, viser det seg, avhenger sterkt av hvordan berget og jernet i deres ultrapresserte kjerner oppfører seg.
Grensene for dagens vitenskap
Akkurat nå er vår forståelse av eksoplaneter for det meste basert på å skalere opp eller ned det vi vet om planeter i vårt eget solsystem, sa Diana Valencia, en planetforsker ved University of Toronto i Canada, som ringte til møtet i mars i Amerika Fysisk samfunn (APS) for mineralfysikere for å utforske disse eksotiske eksoplanetære materialene.
Problemet med oppskalingsmetoden er at du ikke virkelig kan forstå hvordan jern vil oppføre seg med 10 ganger trykket fra jordens kjerne bare ved å multiplisere, sa hun. Ved det enorme presset endres kjemikaliets egenskaper grunnleggende.
"Vi kan forvente å finne krystaller i superjordene som ikke finnes i Jorden, eller andre steder i naturen, for den saks skyld," sa Lars Stixrude, en teoretisk mineralfysiker ved University of California, Los Angeles, som har gjort grunnleggende teoretiske arbeider for å beregne egenskapene til disse ekstreme materialene. "Dette ville være unike arrangementer av atomene som bare eksisterer ved veldig høyt trykk."
Disse forskjellige arrangementene skjer, fortalte han til Live Science, fordi enorme press fundamentalt endrer hvordan atomer binder seg sammen. På jordas overflate og til og med dypt inne i planeten vår, kobles atomer opp ved å bruke bare elektronene i deres ytre skjell. Men ved overjordiske trykk blir elektronene nærmere atomkjernen involvert og endrer materialenes former og egenskaper fullstendig.
Og de kjemiske egenskapene kan påvirke oppførselen til hele planeter. For eksempel vet forskere at superjordene feller mye varme. Men de vet ikke hvor mye - og svaret på det spørsmålet har store konsekvenser for planetenes vulkaner og platetektonikk. Ved jordas indre trykk blir lettere elementer blandet med jernkjernen, noe som påvirker planetens magnetfelt - men det kan ikke skje ved høyere trykk. Selv den fysiske størrelsen på superjordene avhenger av krystallstrukturen til forbindelser i kjernene deres.
Men uten planeter av denne art for å studere på nært hold i vårt eget solsystem, sa Valencia, må forskere henvende seg til grunnleggende fysiske beregninger og eksperimenter for å svare på slike spørsmål. Men disse beregningene viser ofte åpne svar, sa Stixrude. Når det gjelder eksperimentene?
"Disse pressene og temperaturene er utenfor muligheten til det meste av teknologi og eksperimenter vi har i dag," sa han.
Å bygge en superjord på vanlig jord
På jorden involverer de mest ekstreme trykkeksperimenter knusing av små prøver mellom de skjerpede punktene til to industridiamanter.
Men disse diamantene har en tendens til å knuse lenge før de nådde superjordtrykk, sa Stixrude. For å komme rundt diamantens begrensninger, vender fysikere seg til eksperimenter med dynamisk kompresjon, av den typen som ble utført av mineralfysikeren Tom Duffy og hans team ved Princeton University.
Disse eksperimentene gir mer super-jordlignende trykk, men bare for brøkdeler av et sekund.
"Ideen er at du bestråler en prøve med en veldig høydrevet laser, og du varmer raskt overflaten på prøven og du blåser av et plasma," sa Duffy, som var leder av APS-sesjonen der Valencia snakket, fortalte Live Science.
Biter av prøven, plutselig oppvarmet, sprenges av overflaten, og skaper en trykkbølge som beveger seg gjennom prøven.
"Det er virkelig som en rakettskipseffekt," sa Duffy.
De involverte prøvene er små - nesten flate, og omtrent en millimeter kvadrat i overflaten, sa han. Og det hele varer om nanosekunder. Når trykkbølgen når baksiden av prøven, knuses det hele. Men gjennom nøye observasjoner under de korte pulsen, har Duffy og hans kolleger funnet ut tettheten og til og med de kjemiske strukturene til jern og andre molekyler under tidligere uhørt trykk.
Det er fremdeles mange ubesvarte spørsmål, men kunnskapstilstanden på feltet endrer seg raskt, sa Valencia. For eksempel er den første artikkelen om strukturen til superjordene (som Valencia publiserte i februar 2007 i The Astrophysical Journal som hovedfagsstudent ved Harvard) utdatert fordi fysikere har fått ny informasjon om kjemikaliene på vår egen planet.
Det er viktig å svare på disse spørsmålene, sa Duffy, fordi de kan fortelle oss om fjerne fremmede verdener har egenskaper som platetektonikk, flytende magma og magnetfelt - og derfor om de kan støtte livet.
