Dos planetas extraños

Urano y Neptuno tienen un campo magnético completamente sesgado, quizás debido a las estructuras internas especiales de los planetas. Pero los nuevos experimentos de los investigadores de ETH Zürich ahora muestran que el misterio sigue sin resolverse.

Neptuno y Urano son los dos planetas más externos de nuestro Sistema Solar y dos gigantes gaseosos.
Crédito imagen: NASA.

Los dos grandes planetas gaseosos, Urano y Neptuno, tienen extraños campos magnéticos. Cada uno de estos está fuertemente inclinado en relación con los ejes de rotación del planeta y están significativamente desplazados del centro físico del planeta. La razón de esto ha sido un misterio de larga data en las ciencias planetarias. Varias teorías asumen que una estructura interna única de estos planetas podría ser responsable de este extraño fenómeno. Según estas teorías, el campo magnético sesgado es causado por circulaciones en una capa convectiva, que consiste en un fluido eléctricamente conductor. Esta capa convectiva rodea una capa no convectiva de capas estables en la que no hay circulación del material debido a su alta viscosidad. Debido a ello, no hay contribución de estas capas al campo magnético.

Los campos magnéticos de la Tierra, Urano y Neptuno difieren notablemente.
Crédito imagen:
ETH Zurich / T. Kimura
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Estados extraordinarios

El agua y el amoníaco son los componentes principales de Urano y Neptuno. Las simulaciones por computadora muestran que entran en un estado inusual a presiones y temperaturas muy altas. Es un «estado superiónico», que tiene las propiedades de un sólido y un líquido. En este estado, los iones de hidrógeno se vuelven móviles dentro de la estructura reticular formada por oxígeno o nitrógeno.

Así es como podría verse la estructura interna de los dos planetas gaseosos, según teorías anteriores.
Crédito imagen:
ETH Zurich / T. Kimura.

Estudios experimentales recientes confirman que el agua superiónica puede existir en la profundidad donde, según la teoría, se encuentra la región de capas estables. Por tanto, podría ser que la capa estratificada esté formada por componentes superiónicos. Sin embargo, no está claro si los componentes son realmente capaces de suprimir la convección, ya que no se conocen las propiedades físicas del estado superiónico.

Alta presión en el espacio más pequeño

Tomoaki Kimura y Motohiko Murakami del Departamento de Ciencias de la Tierra en ETH Zurich están ahora un paso más cerca de encontrar la respuesta. Los dos investigadores han realizado experimentos de alta presión y alta temperatura con amoníaco en su laboratorio. El objetivo de los experimentos fue determinar la elasticidad del material superiónico. La elasticidad es una de las propiedades físicas más importantes que influye en la convección térmica en el manto planetario. Es de destacar que la elasticidad de los materiales en su estado sólido y líquido es completamente diferente.

Para sus estudios, los investigadores utilizaron un aparato de alta presión llamado celda de yunque de diamante. En este aparato, el amoníaco se coloca en un pequeño recipiente con un diámetro de aproximadamente 100 micrómetros. Luego se sujeta entre dos puntas de diamante que comprimen la muestra. Esto hace posible someter los materiales a presiones extremadamente altas, como las que se encuentran dentro de Urano y Neptuno.

Representación esquemática de la celda del yunque de diamante.
La estructura química se puede determinar con el espectro Raman y la elasticidad del material de muestra con la dispersión de Brillouin.
Crédito imagen: ETH Zurich / T. Kimura
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Luego, la muestra se calienta a más de 2000 grados Celsius con un láser infrarrojo. Al mismo tiempo, un rayo láser verde ilumina la muestra. Midiendo el espectro de ondas de la luz láser verde dispersada, los investigadores pueden determinar la elasticidad del material y la unión química en el amoníaco. Los cambios en el espectro de ondas a diferentes presiones y temperaturas se pueden utilizar para determinar la elasticidad del amoníaco a diferentes profundidades.

Una nueva fase descubierta

En sus mediciones, Kimura y Murakami han descubierto una nueva fase de amoníaco superiónico (fase γ) que presenta una elasticidad similar a la de la fase líquida. Esta nueva fase puede ser estable en el interior profundo de Urano y Neptuno y por lo tanto ocurrir allí. Sin embargo, el amoníaco superiónico se comporta como un líquido. Debido a ello, no sería lo suficientemente viscoso como para contribuir a la formación de la capa no convectiva.

La cuestión de qué propiedades tiene el agua superiónica dentro de Urano y Neptuno es aún más urgente a la luz de los nuevos resultados. Incluso ahora, el misterio de por qué los dos planetas tienen un campo magnético tan irregular sigue sin resolverse.

El paper

Kimura T, Murakami M .: Respuesta elástica de tipo fluido del NH3 superiónico en Urano y Neptuno. PNAS 6 de abril de 2021 118 (14) e2021810118; doi: 10.1073 / pnas.2021810118.

Fuente: Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich).

Artículo original: Two strange planets. Felix Würsten. Marzo 31, 2021.

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