O interior profundo de planetas gigantes gelados como Urano e Netuno pode conter uma forma de matéria até então desconhecida. Essa possibilidade vem de novas simulações computacionais conduzidas pelos pesquisadores da Carnegie, Kong Liu e Ronald Cohen.
Seu estudo, publicado em Comunicações da naturezasugere que o hidreto de carbono pode adotar um estado superiônico quase unidimensional incomum sob as intensas pressões e temperaturas encontradas muito abaixo das superfícies desses planetas distantes.
Por que os interiores planetários são importantes
Mais de 6.000 exoplanetas foram descobertos até agora e o 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 cada vez mais a trabalhar em conjunto. Combinando observações, experiências e modelos teóricos, procuram desvendar os processos físicos que formam os planetas, incluindo a forma como os campos magnéticos são gerados.
O 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.
Camadas de “gelo quente” dentro de gigantes de gelo
Os dados de densidade de Urano e Netuno mostram que estes planetas contêm camadas internas incomuns, muitas vezes descritas como “gelo quente”. Estas regiões estão abaixo da atmosfera externa de hidrogênio e hélio e acima dos núcleos sólidos.
Os cientistas acreditam que essas camadas consistem em água (H2O), metano (CH4) e amônia (NH4). No entanto, as condições extremas nestes ambientes provavelmente forçam estes compostos familiares a assumirem formas exóticas e desconhecidas.
Simulação de condições planetárias extremas
A intensa pressão e temperatura dentro dos gigantes gelados podem criar estados de matéria que não existem na Terra. Para investigar isso, Liu e Cohen usaram ferramentas de computação de alto desempenho e aprendizado de máquina para fazer simulações quânticas detalhadas de hidreto de carbono (CH).
Eles simularam condições que variam de quase 5 milhões a quase 30 milhões de pressões atmosféricas terrestres (500 a 3.000 gigapascais) e temperaturas de 6.740 a 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin).
Um estranho estado superiônico “espiral”
As simulações revelaram uma estrutura surpreendente. Os átomos de carbono formam uma estrutura hexagonal ordenada e os átomos de hidrogênio movem-se através dela em trajetórias helicoidais. 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 fixo dentro da estrutura cristalina, enquanto o outro tipo se move livremente através dela.
“Esta fase carbono-hidrogênio recentemente prevista é particularmente impressionante porque o movimento dos átomos não é completamente tridimensional”, explicou Cohen. “Em vez disso, o hidrogênio se move preferencialmente ao longo de caminhos helicoidais bem definidos incorporados na estrutura ordenada do carbono.”
Implicações para calor, eletricidade e campos magnéticos
O movimento direcional dos átomos de hidrogênio pode ter efeitos profundos na forma como a energia flui dentro dos planetas. Isto pode afetar a forma como o calor e a eletricidade são transportados através destas camadas profundas.
Estas propriedades são particularmente importantes para compreender como Urano e Neptuno criam os seus campos magnéticos, que são notavelmente diferentes dos de outros planetas.
Impacto mais amplo além da ciência planetária
As descobertas também mostram como elementos simples podem se comportar de maneiras surpreendentemente complexas sob condições extremas. Mesmo compostos básicos como carbono e hidrogênio podem formar estruturas altamente organizadas e inesperadas.
“O carbono e o hidrogénio estão entre os elementos mais comuns nos materiais planetários, mas o seu comportamento conjunto nas condições de um planeta gigante permanece longe de ser totalmente compreendido”, concluiu Liu.
Além de ajudar os cientistas a compreender planetas distantes, esta investigação também poderá levar a avanços na ciência e engenharia de materiais, revelando novos tipos de comportamento direcional na matéria.
