Los planetas gigantes de hielo como Urano y Neptuno pueden contener formas de materia previamente desconocidas en sus profundidades. Esta posibilidad surge de nuevas simulaciones por computadora realizadas por los científicos de Carnegie Kong Liu y Ronald Cohen.
Su investigación, publicada comunicación de la naturalezasugiere que el hidruro de carbono puede adoptar un estado superiónico casi unidimensional inusual bajo las intensas presiones y temperaturas que se encuentran debajo de la superficie de estos planetas distantes.
Por qué la materia interna del planeta
Hasta ahora se han descubierto más de 6.000 exoplanetas y ese número sigue creciendo. Para comprender mejor cómo se forman y evolucionan los planetas, investigadores en astronomía, ciencias planetarias y ciencias de la Tierra están trabajando juntos. Combinando observaciones, experimentos y modelos teóricos, su objetivo es descubrir los procesos físicos que dan forma a los planetas, incluido cómo se forman los campos magnéticos.
Este creciente interés también se extiende a las capas ocultas entre los planetas y las lunas de nuestro propio sistema solar. Estudiar lo que sucede en las profundidades de la superficie puede proporcionar pistas sobre el comportamiento del planeta e incluso ayudar a los científicos a determinar si una Tierra distante podría albergar vida.
La capa de “hielo caliente” dentro del gigante de hielo
Los datos de densidad de Urano y Neptuno indican que estos planetas tienen capas internas inusuales, a menudo descritas como “hielo caliente”. Estas regiones se encuentran debajo de la atmósfera exterior de hidrógeno y helio y por encima del núcleo sólido.
Los científicos creen que estas capas están hechas de agua (H2O), metano (CH4), y amoníaco (NH4) Sin embargo, las condiciones extremas de este entorno probablemente obliguen a estos compuestos conocidos a adoptar formas exóticas y desconocidas.
Simulación de condiciones planetarias extremas.
La intensa presión y temperatura dentro de un gigante de hielo pueden crear estados de la materia que no existen en la Tierra. Para explorar esto, Liu y Cohen utilizaron herramientas informáticas y de aprendizaje automático de alto rendimiento para ejecutar simulaciones cuánticas detalladas de hidruro de carbono (CH).
Modelaron temperaturas entre aproximadamente 5 millones y aproximadamente 30 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra (500 a 3000 gigapascales) y temperaturas entre 6740 y 10340 grados Fahrenheit (4000 a 6000 Kelvin).
Un extraño estado superiónico en “espiral”
Las simulaciones revelaron una estructura interesante. Los átomos de carbono forman una estructura hexagonal ordenada, mientras que los átomos de hidrógeno se mueven a través de ella siguiendo trayectorias en forma de espiral. Esto crea un estado superiónico casi unidimensional.
Las sustancias superiónicas son inusuales porque se comportan en parte como sólidos y en parte como líquidos. Un tipo de átomo está encerrado dentro de una estructura cristalina, mientras que el otro tipo se mueve libremente a través de ella.
“Esta fase carbono-hidrógeno recientemente predicha es particularmente interesante porque el movimiento atómico no es completamente tridimensional”, explicó Cohen. “En cambio, el hidrógeno se mueve preferentemente a lo largo de trayectorias helicoidales bien definidas incrustadas en una estructura de carbono específica”.
Implicaciones para el calor, la electricidad y los campos magnéticos.
El movimiento direccional de los átomos de hidrógeno puede tener un gran efecto en cómo fluye la energía dentro del planeta. Esto puede afectar la forma en que se conducen el calor y la electricidad a través de estas capas más profundas.
Estas características son particularmente importantes para comprender cómo Urano y Neptuno generan sus campos magnéticos, que se diferencian de otros planetas de maneras inusuales.
Amplias implicaciones más allá de la ciencia planetaria
Los hallazgos también resaltan cómo los materiales simples pueden comportarse de maneras sorprendentemente complejas en condiciones extremas. Incluso los compuestos básicos como el carbono y el hidrógeno pueden formar estructuras altamente organizadas e impredecibles.
“El carbono y el hidrógeno son los elementos planetarios más abundantes, pero su comportamiento combinado en condiciones de planeta gigante está lejos de comprenderse completamente”, concluyó Liu.
Más allá de ayudar a los científicos a comprender los planetas distantes, esta investigación también podría contribuir a los avances en la ciencia y la ingeniería de materiales al revelar nuevos tipos de comportamiento direccional en la materia.
