我们对地球内部了解很多。我们知道它有一个内核和一个外核，它的搅动和旋转创造了一个保护性的磁层，保护生命免受太阳辐射的影响。它有一个地幔，主要是固态的，但也有岩浆。我们知道它有地壳，我们就住在那里，还有板块构造，把大陆像玩物一样移动。
但是超级地球呢?我们知道它们存在;我们发现他们。我们对他们的身体了解多少?地球的结构及其维持生命的能力，是由其内部的极端压力和密度所塑造的。超级地球内部的压力和温度甚至更强大。它是如何塑造这些行星并影响它们的宜居性的?
超级地球是比地球更大的行星，但没有我们太阳系的冰巨行星，天王星和海王星那么大。天王星和海王星的质量分别是地球的14.5和17倍。一般来说，超级地球的质量大约是地球的两倍到十倍。超级地球没有明确的定义，不同的来源使用不同的质量类别。
在已确认的近5000颗系外行星中，美国宇航局称其中1539颗为“超级地球”。超级地球是由它们的质量来定义的，而不是由它们的组成或其他特征来定义的。地球上有很多这样的行星，我们最近的恒星邻居中似乎有超级地球。超级地球根据其密度和组成有不同的分类。但它们中的许多都与地球有着相似的密度和组成成分。
卡内基大学和其他机构的一组研究人员研究了极端压力和温度对超级地球内部矿物的影响。他们进行了模拟室内环境的实验室实验。他们将矿物置于极端压力和温度下，观察它们在这一常见行星的地幔中会发生什么。
论文题目为“Mg2GeO4超高压无序八配相:超级地球地幔的类似物”。主要作者是拉杰克里希纳·杜塔(Rajkrishna Dutta)，他是卡内基地球和行星实验室的博士后研究员。这篇论文发表在《美国国家科学院院刊》上。
地球内部的动力以不同的方式支持生命。地核产生的磁层是一种方式。磁层将有害的太阳辐射从地球表面引开，并防止太阳风剥离大气层。
在地球上，板块构造和地幔对流对气候有恒温效应。火山将加热的物质和二氧化碳释放到地球的大气层中，阻止地球变得太冷。同样的过程通过在降雨的帮助下将碳酸盐俯冲回岩石中来调节二氧化碳的含量。板块构造还创造了生命所必需的复杂化学物质。因此，科学家们认为，板块构造和地幔对流在生命的出现和地球持续的宜居性方面发挥了关键作用。
超级地球内部的极端条件会如何影响其可居住性?
这篇论文的第一作者，卡内基的Rajkrishna Dutta解释说:“我们星球的内部动力对于维持一个生命可以繁荣的表面环境至关重要——驱动地球发电机，创造我们的磁场，塑造我们的大气成分。”“在巨型岩石系外行星(如超级地球)深处发现的条件会更加极端。
硅酸盐矿物构成了地壳的大部分。施加在硅酸盐矿物上的高温和压力形成了地球深处上地幔和下地幔之间的关键边界。对岩石系外行星的研究表明，它们可能也有硅酸盐外壳。它们的密度与地球大致相同。
由于超级地球可能比地球大得多，其中的温度和压力将比地球上更极端。研究人员想要探索这些条件以及它们对硅酸盐矿物的影响。他们想知道是否会出现新的硅酸盐类型，以及它们是否会有不同的表现。
在正常情况下，大多数硅酸盐被组织成同一方向，称为四面体结构。一个四面体结构有一个中心原子与四个其他原子结合。
Mg2SiO4，也被称为镁橄榄石，是地球地幔中最丰富的硅酸盐矿物之一，地幔在400公里(250英里)以上。它可能也在多岩石的超级地球中大量存在。模拟表明，在超级地球内部的极端温度和压力下，新的硅酸盐相会出现，但没有办法观察到它们。计算表明，新硅酸盐相的出现需要490 GPa的压力。但是没有办法模拟这种压力。
幸运的是，科学家们可以使用类似的方法来研究硅酸盐，它们可以在不那么极端的温度和压力下做出同样的反应。这个类比就是锗。具体来说，是锗酸镁，或者Mg2GeO4。计算表明，在高压下，锗酸镁也会转变为新相，但阈值较低。新相在175 GPa时出现，这个压力可以在实验室中产生。
研究小组使用钻石砧将Mg2GeO4样品置于极端压力下，然后用激光加热它们。他们将锗酸镁暴露在200万倍于地球正常大气压的压力下，观察到新的晶体结构出现。
在200万个大气压下，中心的锗原子与8个氧原子结合，而不是4个。这种新矿物被称为“八种协调的、本质上不协调的矿物”，它可能会极大地影响超级地球的内部温度和动力学。
“在极端压力下，硅酸盐可能呈现出一种围绕6个键而不是4个键的结构，这一发现彻底改变了科学家对深层地球动力学的理解，”研究的合著者萨利·琼·特雷西解释说。Tracy指的是发现了硅酸盐钙钛矿(现在称为bridgmanite)和后钙钛矿。钙钛矿是一种只有在高压下才会形成的矿物结构。它在地球表面不稳定，主要存在于地幔的下部。科学家们首先在一颗受到严重冲击的陨石中发现了天然的硅酸盐钙钛矿。
“八倍定向的发现可能对我们如何思考系外行星内部的动力学具有类似的革命性影响，”特雷西说。
地震的不连续形成了地核、地幔和地壳之间的边界。地震不连续是指地震速度跨越边界时的突然跳跃。在高压和高温下，矿物的不同结构有助于形成这些不连续点。因此，实际上，矿物的结构有助于调节从地球内部到地表的热流，也有助于板块构造。因此，矿物的结构在很大程度上决定了可居住性。
在与《今日宇宙》的邮件交流中，该研究的主要作者Rajkrishna Dutta解释了这一整体情况。
“锗酸盐与硅酸盐类似。因此，我们预计在大型超级地球行星的地幔深处会看到硅酸盐八配相。拥有八个配位相意味着晶体结构更紧密、更致密。”
更紧密、密度更大的晶体结构是如何影响行星内部的?
“从六配位钙钛矿后的过渡导致了显著的体积差异(约2.5%)。这表明，这些巨大行星的地幔可能存在地震不连续。根据转变的斜率(预计为负值)，这可以为板块俯冲和地幔对流创造边界层。”
问题是，这究竟会如何影响“超级地球”的潜在宜居性?地球的内部结构在维持宜居性方面扮演着相当重要的角色。在超级地球上也是如此。
“我们对这些大型系外行星的地质情况知之甚少。我们的研究还处于初步阶段，需要进一步了解该结构对该结构的热力学和流变性能的影响。但是，有趣的是，这个结构是无序的，所以两个大小不同的阳离子占据了同一个位置。这表明，在这种极端条件下，材料可能会表现得非常不同，并经历更多的化学混合，”杜塔解释说。
此前对超级地球的研究得出了不同的结果。一些研究表明，超级地球的地质活动比地球强大得多。构造板块会更薄，承受更大的压力，所以板块构造会更活跃。其他研究表明，超级地球将有更强的地壳，抑制板块构造。对于板块构造是生命存在的必要条件，科学家们并没有达成广泛的共识。
不幸的是，我们对遥远的系外行星的内部结构和动力学的了解还远远不够。洞察号着陆器正在收集火星内部的数据，这将为我们提供一组关于行星内部的数据。但我们还远没有全面了解系外行星的内部。
然而，这并不意味着没有任何进展。
“但是，对这些行星内部的了解主要是基于实验室实验和理论计算，”杜塔说。“这是一个需要地球科学家、天体物理学家和化学家进行大量合作的领域。通过更多的实验和建模，我们相信我们可以得到这些行星内部更清晰的图像。”
随着我们发现越来越多的系外行星，这项工作只会增加。
“正如广泛存在的六配位锗酸盐/硅酸盐的发现深刻地改变了我们对硅酸盐晶体化学及其在地球深层内部作用的认识一样，八配位锗酸盐的发现，内部无序的锗酸盐开启了一种可能性，即在大型岩石系外行星的硅酸盐矿物中存在以前未被探索过的晶体化学行为，”作者在他们的结论中写道。
