Planetas gigantes de gelo como Urano e Netuno podem conter formas de matéria até então desconhecidas em seu interior. Esta possibilidade vem de novas simulações computacionais conduzidas pelos cientistas da Carnegie, Kong Liu e Ronald Cohen.
Sua pesquisa, publicada Comunicação da naturezasugere que o hidreto de carbono pode adotar um estado superiônico quase unidimensional incomum sob as intensas pressões e temperaturas encontradas abaixo da superfície desses planetas distantes.
Por que a matéria interna do planeta
Mais de 6.000 exoplanetas foram descobertos até agora e esse número continua a crescer. Para compreender melhor como os planetas se formam e evoluem, investigadores em astronomia, ciências planetárias e ciências da Terra estão a trabalhar em conjunto. Ao combinar observações, experiências e modelos teóricos, pretendem descobrir os processos físicos que moldam os planetas, incluindo a forma como os campos magnéticos são formados.
Este interesse crescente também se estende às camadas ocultas entre os planetas e as luas do nosso próprio sistema solar. Estudar o que acontece nas profundezas da superfície pode fornecer pistas sobre o comportamento do planeta e até ajudar os cientistas a determinar se uma Terra distante poderia sustentar vida.
A camada de “gelo quente” dentro do gigante de gelo
Os dados de densidade de Urano e Netuno indicam que estes planetas têm camadas internas incomuns, muitas vezes descritas como “gelo quente”. Essas regiões ficam abaixo da atmosfera externa de hidrogênio e hélio e acima do núcleo sólido.
Os cientistas acreditam que essas camadas são feitas de água (H2O), metano (CH4) e amônia (NH4) No entanto, as condições extremas deste ambiente provavelmente forçam estes compostos conhecidos a assumir formas exóticas e desconhecidas.
Simulação de condições planetárias extremas
A intensa pressão e temperatura dentro de um gigante gelado podem criar estados de matéria que não existem na Terra. Para explorar isso, Liu e Cohen usaram ferramentas de computação de alto desempenho e aprendizado de máquina para executar simulações quânticas detalhadas de hidreto de carbono (CH).
Eles modelaram temperaturas entre cerca de 5 milhões e cerca de 30 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra (500 a 3.000 gigapascais) e temperaturas entre 6.740 e 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin).
Um estranho estado superiônico “espiral”
As simulações revelaram uma estrutura interessante. Os átomos de carbono formam uma estrutura hexagonal ordenada, enquanto os átomos de hidrogênio se movem através dela ao longo de caminhos semelhantes a espirais. Isso cria um estado superiônico quase unidimensional.
As substâncias superiônicas são incomuns porque se comportam parcialmente como sólidos e parcialmente como líquidos. Um tipo de átomo está preso dentro de uma estrutura cristalina, enquanto o outro tipo se move livremente através dela.
“Esta fase carbono-hidrogênio recentemente prevista é particularmente interessante porque o movimento atômico não é completamente tridimensional”, explicou Cohen. “Em vez disso, o hidrogénio move-se preferencialmente ao longo de caminhos helicoidais bem definidos, incorporados numa estrutura específica de carbono.”
Implicações para calor, eletricidade e campos magnéticos
O movimento direcional dos átomos de hidrogênio pode ter um grande efeito na forma como a energia flui dentro do planeta. Isto pode afectar a forma como o calor e a electricidade são conduzidos através destas camadas mais profundas.
Estas características são particularmente importantes para compreender como Urano e Netuno geram os seus campos magnéticos, que diferem de outros planetas de maneiras incomuns.
Amplas implicações além da ciência planetária
As descobertas também destacam como materiais simples podem se comportar de maneiras surpreendentemente complexas sob condições extremas. Mesmo compostos básicos como carbono e hidrogênio podem formar estruturas altamente organizadas e imprevisíveis.
“O carbono e o hidrogénio são os elementos planetários mais abundantes, mas o seu comportamento combinado em condições de planetas gigantes está longe de ser totalmente compreendido”, concluiu Liu.
Além de ajudar os cientistas a compreender planetas distantes, esta pesquisa também poderá informar avanços na ciência e engenharia de materiais, revelando novos tipos de comportamento direcional na matéria.
