Suceden cosas extrañas dentro de los planetas, donde materiales familiares están sujetos a presiones y calor extremos. Los átomos de hierro probablemente danzan dentro del sólido núcleo interno de la Tierra, y es probable que se forme hielo negro, caliente y pesado (que es sólido y líquido al mismo tiempo) dentro de los gigantes gaseosos ricos en agua, Urano y Neptuno.
Hace cinco años, los científicos recrearon por primera vez en experimentos de laboratorio este hielo exótico, llamado hielo superiónico y hace cuatro años confirmaron su existencia y estructura cristalina. Luego, el año pasado, investigadores de varias universidades de Estados Unidos y del laboratorio del Centro del Acelerador Lineal de Stanford en California (SLAC) descubrieron una nueva fase de hielo superiónico.
Su descubrimiento profundiza nuestra comprensión de por qué Urano y Neptuno tienen campos magnéticos tan desequilibrados con múltiples polos. Desde nuestro entorno terrestre, se le perdonaría pensar que el agua es una molécula simple con forma de codo formada por un átomo de oxígeno unido a dos hidrógenos que se asientan en una posición fija cuando el agua se congela.
El hielo superiónico es extrañamente diferente y, sin embargo, puede estar entre las formas de agua más abundantes del Universo. Se presume que llena no sólo el interior de Urano y Neptuno, sino también exoplanetas similares. Estos planetas tienen presiones extremas de 2 millones de veces la atmósfera de la Tierra y un interior tan caliente como la superficie del Sol, que es donde el agua se vuelve rara.
Los científicos confirmaron en 2019 lo que los físicos habían predicho en 1988: una estructura en la que los átomos de oxígeno del hielo superiónico están encerrados en una red cúbica sólida, mientras que los átomos de hidrógeno ionizados se sueltan y fluyen a través de esa red como los electrones a través de los metales.
Esto le da al hielo superiónico sus propiedades conductoras. También aumenta su punto de fusión de modo que el agua congelada permanece sólida a temperaturas vertiginosas.
En este último estudio, la física Arianna Gleason de la Universidad de Stanford y sus colegas bombardearon finas astillas de agua, intercaladas entre dos capas de diamante, con láseres ridículamente potentes. Las sucesivas ondas de choque elevaron la presión a 200 GPa (2 millones de atmósferas) y las temperaturas hasta aproximadamente 4700°C, más altas que las temperaturas de los experimentos de 2019, pero a presiones más bajas.
“Los descubrimientos recientes de exoplanetas similares a Neptuno ricos en agua requieren una comprensión más detallada del diagrama de fases [del agua] en condiciones de presión y temperatura relevantes para sus interiores planetarios”, explican Gleason y sus colegas en su artículo de enero de 2022.
La difracción de rayos X reveló entonces la estructura cristalina del hielo denso y caliente, a pesar de que las condiciones de presión y temperatura sólo se mantuvieron durante una fracción de segundo. Los patrones de difracción resultantes confirmaron que los cristales de hielo eran, de hecho, una nueva fase distinta del hielo superiónico observado en 2019. El hielo superiónico recién descubierto, Ice XIX, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y una mayor conductividad en comparación con su predecesor de 2019, Ice XVIII.
La conductividad es importante aquí porque las partículas cargadas en movimiento generan campos magnéticos. Ésta es la base de la teoría de la dinamo, que describe cómo los fluidos conductores agitados, como el manto de la Tierra o el interior de otro cuerpo celeste, dan lugar a campos magnéticos.
Si una mayor parte del interior de un gigante de hielo similar a Neptuno fuera absorbida por un sólido blando y menos por un líquido arremolinado, entonces cambiaría el tipo de campo magnético producido. Y si hacia su núcleo ese planeta tuviera dos capas superiónicas de diferente conductividad, como Gleason y sus colegas sugieren que podría contener Neptuno, entonces el campo magnético generado por la capa líquida exterior interactuaría con cada una de ellas de manera diferente, haciendo las cosas aún más extrañas.
Gleason y sus colegas concluyen que la conductividad mejorada de una capa de hielo superiónico similar al Hielo XIX promovería la generación de campos magnéticos multipolares irregulares como los que emanan de Urano y Neptuno. De ser así, sería un resultado satisfactorio más de 30 años después de que la sonda espacial Voyager II de la NASA, lanzada en 1977, sobrevolara los dos gigantes de hielo de nuestro Sistema Solar y midiera sus campos magnéticos altamente inusuales.
El estudio fue publicado en Scientific Reports.
Fuente: Science Alert.
