นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีแรงกดดันเลเซอร์จำลองสภาพบนดาวเคราะห์นอกโลกที่มีลักษณะคล้ายกับโลกกับสภาพบนดาวเคราะห์ยักษ์ เพื่อศึกษาดูว่าคุณสมบัติของวัตถุต่างๆ ที่จะก่อให้เกิดขึ้นเป็นดวงดาวและเกิดสิ่งมีชีวิตนั้น เป็นอย่างไร

การทดลองนี้ได้รับการเผยแพร่ในวารสารวิชาการ Science แล้ว โดยเผยถึงคุณสมบัติที่ไม่ปกติของซิลิกาในช่วงที่มีแรงกดดันและอุณหภูมิสูงมากในระดับเดียวกับที่ดาวก่อตัวและมีวิวัฒนาการภายในดาว โดยซิลิกานั้นเป็นสารประกอบหลักของก้อนหิน

มาเรียส มิลล็อต นักฟิสิกส์ที่สถาบันวิจัยแห่งชาติลอเรนซ์ ลิเวอร์มอร์ และทีมงานจากสหรัฐอเมริกาและเยอรมนี ใช้วิธีส่งคลื่นช็อคผ่านเลเซอร์เพื่อให้เกิดความกดดันและทำการวิเคราะห์แบบเร็วยิ่งยวดเพื่อให้สามารถวัดอุณหภูมิของซิลิกาที่กำลังหลอมเหลวที่ความดัน 500 กิกะปาสคาล (ประมาณ 5 ล้านบรรยากาศ) ได้ อันเป็นความดันที่เทียบได้กับบริเวณใจกลางแมนเทิลของดาวเคราะห์ซูเปอร์เอิร์ธ คือคล้ายโลกแต่หนักกว่าโลก 5 เท่า และเทียบเคียงกับของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน และยังแสดงถึงการชนของอุกกาบาตที่ผิวของดาวอันเป็นช่วงสุดท้ายของการก่อร่างสร้างตัวของดาวเคราะห์

"ลึกลงไปในผิวดวงดาวนั้นคือพื้นที่ที่มีความหนาแน่น ความดัน และอุณหภูมิสูงยิ่งจนทำให้โครงสร้างของวัตถุต่างๆเปลี่ยนไป หากเราทราบว่าวัตถุของแข็งอยู่ภายใต้สภาพความกดดันสูงได้นานเท่าไหร่จึงจะหลอมเหลว เราก็จะเข้าใจโครงสร้างและวิวัฒนาการภายในของดาวเคราะห์มากยิ่งขึ้น และวันนี้เราก็สามารถวัดได้โดยตรงในห้องปฏิบัติการแล้ว" มิลล็อตเผย

เมื่อนำข้อมูลนี้ไปผนวกเข้ากับการวัดออกไซด์และเหล็กอื่นๆในการทดลองก่อนหน้านี้ ทำให้เราทราบว่า แมนเทิลซิลิเกตและโลหะใจกลางมีจุดหลอมเหลวที่ใกล้เคียงกันที่ระดับ 300-500 กิกะปาสคาล และเป็นการบอกเราว่า ดาวเคราะห์หินแข็งขนาดใหญ่นั้นอาจจะมีช่วงที่ใต้ผิวของดาวเต็มไปด้วยทะเลของแมกมาและมีหินหลอมเหลว ส่วนสนามแม่เหล็กของดาวก็น่าจะเริ่มก่อตัวขึ้นมาจากชั้นหิวเหล่านี้

หลักการนี้พัฒนามาจากเทคนิคการวัดการเติบโตของคริสตัลในสภาพแรงกดดันสูง ที่เป็นผลงานวิจัยของมหาวิทยาลัยเบย์รอยธ์ ในเยอรมนี ซึ่งนาตาเลีย ดูบรอฟวินสเกีย และทีมงานได้ทำการสังเคราะห์โพลีคริสตัลโปร่งแสงขนาดระดับมิลลิเมตร และสังเคราะห์สติสโฮไวท์ ที่เป็นรูปแบบของซิลิกา(ซิลิกอนไดออกไซด์) ที่มีความหนาแน่นสูงที่มักจะพบได้น้อยมาก พบตามผิวของอุกกาบาตที่เข้ามาชนโลก

คริสตัลเหล่านี้ทำให้มิลล็อตและทีมงานสามารถทำการทดลองความกดดันสูงจากคลื่นช็อคโดยใช้เลเซอร์เพื่อศึกษาสติสโฮไวต์โดยใช้เครื่องไพโรเมทรีและเวโลซิเมทรีที่สถาบันเลเซอร์โอเมกา มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์

"สติสโฮไวต์ บางทีอาจจะหนาแน่นกว่าแร่ควอตซ์หรือซิลิกาเสียอีก ยังสามารถเย็นตัวได้แม้จะอยู่ภายในแรงกดดันจากคลื่นช็อค และก็ทำให้เราสามารถวัดอุณหภูมิหลอมเหลวภายใต้ความกดดันสูงๆ ได้" มิลล็อตอธิบาย

"การกดดันที่เปลี่ยนไปเรื่อยๆ ของวัสดุบนดาวเคราะห์นี้เริ่มน่าตื่นเต้นแล้วในตอนนี้ ภายใต้ชั้นไฮโดรเจนของดาวก็คือของเหลวโลหะและฮีเลียม และซิลิกาเหลวก็เป็นโลหะและน้ำก็อาจจะเป็นประจุไฟฟ้าสูงมากๆได้"

ในความเป็นจริงนั้น นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกโลกที่มีลักณะคล้ายโลกของเรากว่า 1,000 ดวงดาวซึ่งก็กระจายอยู่ตามระบบดวงดาวต่างๆ มีขนาดและคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เมื่อใช้หลักการในห้องวิทยาศาสตร์จำลองสภาพยิ่งยวดภายใต้ผิวของดาวยักษ์แล้ว มิลล็อตและทีมงานจึงได้วางแผนจะศึกษาพฤติกรรมของดาวเคราะห์เหล่านี้ภายใต้ความกดดันที่เปลี่ยนไปเปลี่ยนมา เพื่อความเข้าใจการก่อตัวของดาวและการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตได้มากขึ้น

อ้างอิง: DOE/Lawrence Livermore National Laboratory. (2015, January 22). New research re-creates planet formation, super-Earths and giant planets in the laboratory. ScienceDaily. Retrieved January 24, 2015 from www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150122145418.htm

งานวิจัย: M. Millot, N. Dubrovinskaia, A. ernok, S. Blaha, L. Dubrovinsky, D. G. Braun, P. M. Celliers, G. W. Collins, J. H. Eggert, R. Jeanloz. Shock compression of stishovite and melting of silica at planetary interior conditions. Science, 2015; 347 (6220): 418 DOI: 10.1126/science.1261507