Os interiores profundos de planetas gigantes de gás, como Urano e Netuno, podem conter uma forma de matéria previamente desconhecida. Essa possibilidade surgiu de novas simulações computadorizadas realizadas pelos cientistas da Carnegie, Cong Liu e Ronald Cohen.
O estudo, publicado na Nature Communications, sugere que o hidreto de carbono pode assumir um estado superiônico quasi-unidimensional incomum sob as intensas pressões e temperaturas encontradas muito abaixo das superfícies desses planetas distantes.
Por que os Interiores Planetários Importam
Mais de 6.000 exoplanetas já foram descobertos até agora, e esse número continua a crescer. Para entender melhor como os planetas se formam e evoluem, pesquisadores de astronomia, ciência planetária e ciência da Terra estão cada vez mais trabalhando juntos. Ao combinar observações, experimentos e modelos teóricos, eles buscam descobrir os processos físicos que moldam os planetas, incluindo como os campos magnéticos são gerados.
Esse crescente interesse também se estende às camadas ocultas dentro de planetas e luas do nosso próprio Sistema Solar. Estudar o que acontece profundamente abaixo da superfície pode fornecer pistas sobre o comportamento planetário e até ajudar os cientistas a avaliar se mundos distantes poderiam suportar vida.
Camadas “Quentes de Gelo” Dentro dos Gigantes de Gelo
Dados sobre as densidades de Urano e Netuno indicam que esses planetas contêm camadas internas incomuns frequentemente descritas como “geos quentes”. Essas regiões estão localizadas abaixo das atmosferas externas de hidrogênio e hélio e acima de núcleos sólidos.
Os cientistas acreditam que essas camadas são compostas por água (H2O), metano (CH4) e amônia (NH4). No entanto, as condições extremas nesses ambientes provavelmente forçam esses compostos familiares a assumirem formas exóticas e desconhecidas.
Simulando Condições Planetárias Extremas
As intensas pressões e temperaturas dentro dos gigantes de gelo podem produzir estados da matéria que não existem na Terra. Para explorar isso, Liu e Cohen usaram computação de alto desempenho e ferramentas de aprendizado de máquina para realizar simulações quânticas detalhadas do hidreto de carbono (CH).
Eles modelaram condições variando de quase 5 milhões a quase 30 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra (500 a 3.000 gigapascal) e temperaturas entre 6.740 e 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin).
Um Estranho Estado Superiônico em “Espiral”
As simulações revelaram uma estrutura impressionante. Átomos de carbono formam uma estrutura hexagonal ordenada, enquanto átomos de hidrogênio se movem através dela ao longo de caminhos espirais. Isso cria um estado superiônico quasi-unidimensional.
Materiais superiônicos são incomuns porque se comportam parcialmente como sólidos e parcialmente como líquidos. Um tipo de átomo permanece fixo em uma estrutura cristalina, enquanto outro tipo se move livremente através dela.
“Essa nova fase de carbono-hidrogênio prevista é particularmente notável porque o movimento atômico não é totalmente tridimensional,” explicou Cohen. “Em vez disso, o hidrogênio se move preferencialmente ao longo de caminhos helicoidais bem definidos embutidos em uma estrutura ordenada de carbono.”
Implicações para Calor, Eletricidade e Campos Magnéticos
O movimento direcional dos átomos de hidrogênio pode ter grandes efeitos sobre como a energia flui dentro dos planetas. Isso pode influenciar como o calor e a eletricidade são transportados através dessas camadas profundas.
Essas propriedades são especialmente importantes para entender como Urano e Netuno geram seus campos magnéticos, que diferem de maneiras incomuns em relação aos de outros planetas.
Impacto Mais Amplo Além da Ciência Planetária
Os achados 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 organizadas e inesperadas.
“O carbono e o hidrogênio estão entre os elementos mais abundantes nos materiais planetários, no entanto, seu comportamento combinado em condições de planetas gigantes ainda está longe de ser totalmente compreendido,” concluiu Liu.
Além de ajudar os cientistas a entender planetas distantes, esta pesquisa também pode informar avanços em ciência dos materiais e engenharia, revelando novos tipos de comportamento direcional na matéria.
