Os interiores profundos de gigantes gelados como Urano e Netuno podem conter formas de matéria até então desconhecidas. Essa possibilidade vem de novas simulações computacionais conduzidas pelos cientistas da Carnegie, Cong Liu e Ronald Cohen.
Sua pesquisa foi publicada em comunicações da naturezamostrando que nas enormes pressões e temperaturas abaixo das superfícies destes planetas distantes, os hidrocarbonetos podem assumir estados superiônicos quase unidimensionais incomuns.
Por que os interiores planetários são importantes
Até à data, foram descobertos mais de 6.000 exoplanetas e este número continua a crescer. Para compreender melhor como os planetas se formam e evoluem, os investigadores em astronomia, ciências planetárias e ciências da terra estão a colaborar cada vez mais. Ao combinar observações, experiências e modelos teóricos, pretendem revelar os processos físicos que moldam os planetas, incluindo a forma como os campos magnéticos são gerados.
Este interesse crescente também se estende às camadas ocultas dos planetas e luas do nosso sistema solar. Estudar o que acontece nas profundezas da superfície pode fornecer pistas sobre o comportamento planetário e até ajudar os cientistas a avaliar se mundos distantes poderiam sustentar vida.
A camada de “gelo quente” dentro do gigante de gelo
Os dados de densidade de Urano e Netuno indicam que estes planetas contêm camadas internas incomuns, muitas vezes descritas como “gelo quente”. Estas regiões estão localizadas abaixo da atmosfera externa de hidrogênio e hélio e acima do núcleo sólido.
Os cientistas acreditam que essas camadas são compostas de água (H2O), metano (CH4) e amônia (NH4). No entanto, as condições extremas nestes ambientes podem forçar estes compostos familiares a assumirem formas exóticas e desconhecidas.
Simule condições planetárias extremas
A imensa pressão e temperatura dentro de um gigante gelado podem criar estados de matéria que não existem na Terra. Para explorar isso, Liu e Cohen realizaram simulações quânticas detalhadas de carbono hidrogenado (CH) usando computação de alto desempenho e ferramentas de aprendizado de máquina.
Eles simularam condições que variam de quase 5 milhões a quase 30 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra (500 a 3.000 gigapascais) e temperaturas que variam de 6.740 a 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin).
Estranho estado superiônico ‘espiral’
As simulações revelaram uma estrutura impressionante. Os átomos de carbono formam uma estrutura hexagonal ordenada, enquanto os átomos de hidrogênio seguem um caminho espiral através dela. Isso cria um estado superiônico quase unidimensional.
Os materiais superiônicos são incomuns porque se comportam parcialmente como sólidos e parcialmente como líquidos. Um tipo de átomo permanece preso dentro da estrutura cristalina, enquanto o outro tipo se move livremente dentro da estrutura cristalina.
“Esta fase de hidrocarboneto recentemente prevista é particularmente impressionante porque os movimentos atómicos não são inteiramente tridimensionais”, explica Cohen. “Em vez disso, o hidrogênio se move preferencialmente ao longo de caminhos espirais bem definidos incorporados na estrutura ordenada do carbono.”
Efeitos sobre calor, eletricidade e campos magnéticos
O movimento direcional dos átomos de hidrogênio pode ter um impacto significativo no fluxo de energia dentro de um planeta. Isso poderia afetar a forma como o calor e a eletricidade são transportados através dessas camadas profundas.
Estas propriedades são particularmente importantes para a compreensão de como Urano e Netuno geram os seus campos magnéticos, que se comportam de forma incomum aos de outros planetas.
Implicações mais amplas além da ciência planetária
As descobertas também destacam como elementos simples podem se comportar de maneiras surpreendentemente complexas sob condições extremas. Mesmo compostos básicos como carbono e hidrogênio podem formar estruturas altamente ordenadas e inesperadas.
“O carbono e o hidrogénio estão entre os elementos mais abundantes nos materiais planetários, mas o seu comportamento combinado sob condições de planetas gigantes ainda está longe de ser totalmente compreendido”, concluiu Liu.
Além de ajudar os cientistas a compreender planetas distantes, esta investigação poderá fazer avançar a ciência e a engenharia dos materiais, revelando novos comportamentos direccionais na matéria.
