Dentro de los núcleos de los planetas gigantes helados, la presión y la temperatura son tan extremas que el agua que allí reside pasa a una fase completamente desconocida en las condiciones naturales de la Tierra. Conocida como “agua superiónica”, esta forma de agua es un tipo de hielo. Sin embargo, a diferencia del hielo convencional, está caliente y es negra.
Durante décadas, los científicos creyeron que el agua superiónica en el núcleo de Neptuno y Urano era responsable de los campos magnéticos salvajes y desalineados que la nave espacial Voyager 2 vio al pasar junto a ellos. Una serie de experimentos descritos en un artículo publicado en Nature Communications por Leon Andriambariarijaona y sus coautores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y la Sorbona proporcionan evidencia experimental de por qué exactamente el hielo causa estos extraños campos magnéticos: porque es mucho más desordenado de lo que cualquiera esperaba.
En la escuela, a la mayoría de los estudiantes se les enseña sobre las cuatro fases de la materia: sólido, líquido, gas y plasma. Sin embargo, a presiones y temperaturas extremadamente altas, el agua puede existir en una fase superiónica que, aunque parezca un sólido, es en realidad una forma de red cristalina. Esta red está formada por átomos de oxígeno, mientras que los átomos de hidrógeno fluyen libremente a través de ella, conduciendo la electricidad a su paso.
Los científicos han teorizado durante mucho tiempo que la red de átomos de oxígeno en el agua superiónica formaba un cristal “perfecto”, con átomos ya sea en el centro de un cubo (configuración cúbica centrada en el cuerpo o BCC) o en las caras del cubo (configuración cúbica centrada en las caras o FCC). Ambas proporcionan los bordes definidos y definidos que los científicos esperan ver en una estructura cristalina.
Pero esas bonitas redes cristalinas no encajaban bien con el campo magnético irregular y caótico que la Voyager 2 observó al pasar junto a nuestros gigantes de hielo. Por ello, los científicos decidieron que necesitaban probar experimentalmente esta singular forma de agua para comprobar si la teoría de la red era correcta.
Para lograrlo, primero tuvieron que crear agua superiónica, lo cual no es tarea fácil. Esta solo existe a temperaturas y presiones extremadamente altas, y se transformará inmediatamente en otras formas de agua más estables si se reduce alguna de las variables ambientales.
Lograr presiones tan altas requiere una herramienta especializada llamada yunque de diamante. O, más específicamente, dos. Introducir una muestra de agua entre dos yunques hechos de la sustancia más dura del universo permitió a los experimentadores elevar la presión a 1,8 millones de atmósferas.
Luego, sometieron la muestra a una radiación láser pulsada para calentarla a unos 2500 Kelvin. En ese momento, lograron crear una muestra de agua superiónica.
Pero, en cuanto bajaban la presión o la temperatura, la estructura cristalina se desintegraba. Así que, unas billonésimas de segundo después de alcanzar esas condiciones, bombardearon la muestra con rayos X.
La difracción de rayos X es una práctica común en el estudio de las estructuras cristalinas. En esencia, es una forma de obtener imágenes de alta velocidad de las posiciones atómicas. Sin embargo, al analizar los datos resultantes, los investigadores se dieron cuenta de que sus resultados no se ajustaban bien a la teoría. La red en sí parecía ser una mezcla de líneas borrosas, donde diferentes capas de la estructura eran FCC, y algunas eran en realidad una estructura completamente diferente conocida como empaquetamiento hexagonal compacto (HCP).
Cuando los autores realizaron su primer experimento en California, estos datos confusos resultaron tan confusos que los llevaron a atribuirlos a algún tipo de error ambiental. Esto los impulsó a solicitar la ayuda de otro acelerador lineal en Alemania para eliminar esa posible fuente de ruido.
Cuando los resultados de los experimentos en Alemania fueron los mismos, se dieron cuenta de que estaban viendo la verdad real y desordenada, en lugar de un artefacto de su entorno. A medida que continuaban experimentando con diferentes presiones y temperaturas, los investigadores también observaron que aparecían redes superpuestas a medida que aumentaba la presión. Esto contradecía la teoría de que existía una línea de transición muy clara donde la estructura reticular se rompería entre una estructura y otra.
En definitiva, todo esto sugiere que el agua superiónica es un material muy complejo. Y estas complicaciones ayudan a explicar lo que podría estar sucediendo con los campos magnéticos inestables de Neptuno y Urano.
Para que quede claro, realizar un experimento donde estos materiales sólo existen durante unos pocos femtosegundos no es una recreación perfecta del interior de los planetas gigantes de hielo. Quizás con el tiempo, la estructura cristalina adopte un patrón más rígido. O quizás el caos observado en los experimentos continúa de forma aleatoria en todos los planetas gigantes de hielo.
Si bien nunca veremos este tipo de agua de forma natural en la Tierra, el hecho de que constituya el interior de los planetas gigantes de hielo significa que esta forma de hielo podría ser en realidad el tipo de agua más abundante en la galaxia. Los gigantes helados constituyen una fracción significativa de los exoplanetas conocidos, aunque eso podría deberse simplemente a su tamaño y órbita, ambos fáciles de identificar utilizando los métodos actuales de búsqueda de exoplanetas, en lugar de sus proporciones reales de exoplanetas existentes. De cualquier manera, saber que el agua (la sustancia necesaria para la vida en la Tierra) tiene tantas variedades en tantos lugares diferentes es al menos un hecho científico divertido.
Fuente: Science Alert.
