Estas son sólo dos de las sugerencias que los científicos planetarios han hecho sobre lo que hay debajo de las espesas atmósferas azules de hidrógeno y helio de Urano y Neptuno, los gigantes de hielo únicos, pero de superficie ligera, de nuestro sistema solar.
Un científico planetario de la Universidad de California, Berkeley, ha propuesto ahora una teoría alternativa: que ambos planetas tienen capas interiores y que las dos capas no se mezclan como el aceite y el agua. Esta disposición explica claramente los inusuales campos magnéticos de los planetas y muestra que es poco probable que las teorías anteriores sobre los interiores sean correctas.
En un artículo publicado esta semana en la revista Actas de la Academia Nacional de CienciasBurkhard Militzer sostiene que un profundo océano de agua se encuentra justo debajo de las capas de nubes, y debajo de él hay una capa altamente comprimida de carbono, nitrógeno e hidrógeno. Es fluido. Las simulaciones por computadora muestran que bajo la temperatura y presión del interior planetario, una acumulación de agua (H2O), metano (CH3) y amoníaco (NH3) se separaría naturalmente en dos capas, principalmente porque el hidrógeno sería expulsado del metano y el amoníaco que constituyen la mayor parte del interior profundo.
Estas capas impermeables explicarían por qué ni Urano ni Neptuno tienen campos magnéticos similares a los de la Tierra. Este fue uno de los descubrimientos sorprendentes sobre los gigantes de hielo de nuestro sistema solar realizados por la misión Voyager 2 a finales de los años 1980.
“Ahora tenemos una buena idea, diría yo, de por qué Urano y Neptuno tienen campos realmente diferentes, y es muy diferente de la Tierra, Júpiter y Saturno”, dijo Meltzer, profesor de ciencias planetarias y terrestres de la Universidad de California en Berkeley. “No lo sabíamos antes. Es como el petróleo y el agua, excepto que el petróleo disminuye porque se pierde el hidrógeno”.
Si otros sistemas estelares tienen una estructura similar al nuestro, los gigantes de hielo alrededor de esas estrellas pueden tener una estructura interna similar, dijo Meltzer. Los planetas del tamaño de Urano y Neptuno, los llamados planetas subneptunos, se encuentran entre los planetas más comunes descubiertos hasta la fecha.
La convección genera campos magnéticos.
A medida que un planeta se enfría hacia abajo desde su superficie, el material más frío y denso se hunde, mientras que gotas de fluido caliente se elevan como agua hirviendo, un proceso llamado convección. Si el interior es conductor de electricidad, una capa gruesa de material convectivo producirá un campo magnético dipolar similar a una barra magnética. El campo dipolar de la Tierra, generado por su núcleo exterior de hierro líquido, crea un campo magnético que se mueve desde el Polo Norte al Polo Sur y es por eso que la brújula apunta hacia los polos.
Pero la Voyager 2 descubrió que ninguno de los dos gigantes de hielo tiene tal campo dipolar, sólo campos magnéticos irregulares. Esto significa que no hay movimiento de material en la gruesa capa en el interior profundo de los planetas.
Para explicar estas observaciones, dos grupos de investigación distintos propusieron hace más de 20 años que los planetas debían tener capas que no se superpusieran, lo que provocaría movimientos de masas y se podría evitar un campo magnético dipolar global. Sin embargo, la convección en una de las capas puede producir un campo magnético irregular. Pero ninguno de los grupos pudo explicar de qué estaban hechas estas capas que no se mezclaban.
Hace diez años, Meltzer intentó repetidamente resolver este problema utilizando simulaciones por computadora de alrededor de 100 átomos con proporciones de carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno que reflejaban la composición conocida de los elementos del sistema solar primitivo. A las presiones y temperaturas previstas para el interior de los planetas (3,4 millones de veces la presión de la atmósfera terrestre y 4.750 Kelvin (8.000 °F), respectivamente), no pudo encontrar una manera de que se formaran capas.
Sin embargo, el año pasado, con la ayuda del aprendizaje automático, pudo ejecutar un modelo informático que simulaba el comportamiento de 540 átomos y, para su sorpresa, las capas se formaron de forma natural a medida que los átomos se calentaban y comprimían.
“Un día miré el modelo y el agua se había separado en carbono y nitrógeno. Lo que no podía hacer hace 10 años está sucediendo ahora”, dijo. “Pensé: ‘¡Guau! Ahora sé por qué se forman las capas: una rica en agua y otra rica en carbono, y en Urano y Neptuno, es el sistema rico en carbono el que está en la parte inferior. La parte inferior y la parte más clara en la parte superior.’ permanece y no puede realizar convección.”
“No podría haber hecho este descubrimiento sin un gran sistema de átomos, y un gran sistema que no podría haber simulado hace 10 años”, añadió.
La cantidad de hidrógeno exprimido aumenta con la presión y la profundidad, casi como un polímero plástico, dijo. El carbono superficial estable forma una capa de nitrógeno-hidrógeno. Aunque la capa superior, rica en agua, probablemente se conecta para producir el campo magnético anómalo observado, la más profunda, rica en hidrocarburos. Una capa rica no puede hacer esto.
Cuando modeló la gravedad producida por Urano y Neptuno en capas, la Voyager 2 midió los campos gravitacionales casi 40 años antes.
“Si les preguntas a mis colegas: ‘¿Qué crees que explica los campos de Urano y Neptuno?’ Podrían decir: ‘Bueno, tal vez sea lluvia de diamantes, pero tal vez sea una fuente de agua que llamamos supersónica'”, dijo. “Desde mi punto de vista, esto no es plausible. Pero si tenemos esta separación en dos capas distintas, entonces hay que explicarlo”.
Meltzer predice que debajo de la atmósfera de 3.000 millas de espesor de Urano, una capa rica en agua tiene aproximadamente 5.000 millas de espesor, y una capa rica en hidrocarburos debajo de ella tiene aproximadamente 5.000 millas de espesor. Su parte rocosa es igual al volumen del planeta Mercurio. Aunque Neptuno es más ancho que Urano, tiene un diámetro más pequeño, una atmósfera más delgada, pero una capa igualmente espesa, rica en agua y en hidrocarburos. Su núcleo rocoso es ligeramente más grande que Urano, aproximadamente del tamaño de Marte.
Espera trabajar con colegas que puedan probar con experimentos de laboratorio a temperaturas y presiones extremadamente altas si se forman capas en fluidos con proporciones de elementos que se encuentran en los sistemas protosolares. Una misión propuesta por la NASA a Urano también podría proporcionar confirmación, si la nave espacial lleva un generador de imágenes Doppler para medir las vibraciones del planeta. Un planeta en capas vibrará a una frecuencia diferente a la de un planeta en capas, dijo Meltzer. Su próximo proyecto es utilizar su modelo computacional para predecir cómo variarán las vibraciones de los planetas.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (PHY-2020249) como parte del Centro para la Materia a Presión Atómica.
