En las profundidades de Neptuno y Urano, el agua no se parece en nada a la sustancia que llena una cubitera. Bajo las colosales presiones y temperaturas del interior de esos planetas, entra en un estado extraño conocido como hielo superiónico, una fase en la que los átomos de oxígeno se fijan en una rígida red sólida mientras los núcleos de hidrógeno se desplazan por esa red como un líquido. Como esos núcleos de hidrógeno móviles pueden transportar carga, el material conduce la electricidad, una propiedad que podría estar relacionada con los extraños campos magnéticos que envuelven a ambos gigantes helados.
Los investigadores saben desde hace tiempo que este hielo caliente y conductor debería existir. Lo que no sabían era exactamente qué estructuras cristalinas adopta en condiciones planetarias. Dado que ninguna sonda puede extraer una muestra de Neptuno y traerla de vuelta a la Tierra, un equipo dirigido por Alexis Forestier en el CEA, la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, hizo lo más parecido posible: reconstruyó esas condiciones extremas en un laboratorio y observó qué hacía el hielo.
Recrear en miniatura el interior de un gigante helado
El enfoque experimental del equipo se basó en un dispositivo llamado celda de yunque de diamante, que atrapa una muestra microscópica entre dos puntas de diamante ultraduras y luego las comprime. Esta configuración permite a los investigadores generar presiones que no existen de forma natural en la superficie terrestre. En este caso, los científicos llevaron sus muestras de hielo hasta 230 gigapascales, más de dos millones de veces la presión de la atmósfera terrestre al nivel del mar.
La presión por sí sola era solo la mitad de la receta. Para imitar el calor abrasador de un interior planetario, los investigadores dispararon láseres contra el hielo atrapado, elevando su temperatura por encima de 1800 kelvin. Con esa combinación de fuerza aplastante y calor extremo, la muestra entró en el régimen superiónico.
Para determinar qué ocurría dentro de la diminuta celda, el equipo recurrió a la difracción de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón. Esta técnica revela cómo se organizan los átomos midiendo cómo se dispersan los rayos X al incidir sobre la muestra, lo que en la práctica ofrece a los científicos una imagen de la red cristalina sin tocarla. Los resultados, publicados en la revista revisada por pares Physical Review Letters, mostraron algo que los investigadores no habían determinado antes con precisión.
Un material con doble personalidad
El hielo superiónico es notable porque se comporta como dos estados de la materia a la vez. Sus átomos de oxígeno ocupan posiciones fijas, formando un esqueleto cristalino que permanece en su sitio. Mientras tanto, los núcleos de hidrógeno —los protones que normalmente estarían enlazados en moléculas de agua— se vuelven móviles y migran a través de la estructura de oxígeno, igual que los iones se mueven por un electrolito líquido.
Esa división del trabajo es lo que hace que la fase sea tan inusual. La red sólida de oxígeno confiere al material una estructura y una forma definidas, mientras que el hidrógeno en movimiento aporta la conductividad eléctrica. En el interior de un planeta, una capa de ese material podría comportarse de manera muy distinta a la del hielo de agua ordinario, alterando cómo se mueve el calor, cómo se deforma el material con el tiempo y cómo circulan las corrientes eléctricas.
Sin embargo, hasta ahora los científicos carecían de una respuesta clara sobre la geometría de ese esqueleto de oxígeno. Distintas disposiciones cristalinas —cúbica, hexagonal y otras— implican propiedades físicas diferentes, por lo que identificar la correcta es importante para cualquier modelo de lo que ocurre dentro de un gigante helado.
El empaquetamiento hexagonal se impone a presión extrema
Las mediciones del sincrotrón dieron una respuesta definitiva para las condiciones probadas. Por encima de unos 200 gigapascales y 1800 kelvin, los átomos de oxígeno se organizaron en una disposición hexagonal compacta, abreviada hcp. En esa ventana de presión y temperatura, esta forma hexagonal se convirtió en la fase dominante del hielo superiónico, desplazando a la estructura cúbica centrada en las caras, o fcc, que se esperaba que prevaleciera.
Los autores fueron explícitos sobre la importancia del hallazgo, al escribir que informan de "la observación inequívoca de una nueva fase de hielo de H2O que adopta una subred de oxígeno hcp". En otras palabras, no se trata de un refinamiento sutil de una imagen existente, sino de la identificación de una disposición distinta de los átomos de oxígeno del agua en condiciones relevantes para planetas reales.
El descubrimiento surgió de dos series experimentales separadas, y el equipo plasmó sus mediciones en un diagrama de presión-temperatura que muestra exactamente dónde aparece cada fase. Ese tipo de mapa de límites es lo que permite a otros investigadores predecir qué versión del hielo debería ser estable a una profundidad determinada dentro de un planeta.
Por qué la estructura cristalina puede importar para los campos magnéticos
El beneficio práctico de este trabajo reside en la ciencia planetaria. Neptuno y Urano se clasifican como gigantes helados, y ambos poseen campos magnéticos mucho más complejos que el de la Tierra. Sus campos no están alineados ordenadamente con los ejes de rotación de los planetas, y el entorno magnético a su alrededor es caótico en comparación con el ordenado dipolo que protege a nuestro planeta.
Una de las principales explicaciones implica las capas profundas del interior donde se cree que existe hielo superiónico. Como el material conduce la electricidad, las corrientes en movimiento dentro de él podrían generar campos magnéticos. La estructura cristalina precisa del hielo afecta a la facilidad con que fluye la corriente y en qué direcciones, por lo que determinar si la red de oxígeno es hexagonal o cúbica cambia los datos de entrada de esos modelos.
Al establecer que el hielo hcp domina por encima de 200 gigapascales y 1800 kelvin, el equipo dirigido por el CEA ha dado a los teóricos una base más firme para simular los interiores de estos mundos lejanos, y para explicar por qué sus campos magnéticos se comportan como lo hacen.
Preguntas que siguen abiertas
El experimento captura una porción específica del espacio de presión y temperatura, generada en escalas de tiempo cortas de laboratorio en muestras mucho más pequeñas que un planeta. Salvar esa distancia hasta los interiores planetarios completos requiere modelización, y el diagrama de presión-temperatura del equipo se entiende mejor como una guía para esa modelización que como una descripción completa de Neptuno o Urano.
Aun así, el resultado afina una imagen que era borrosa. Los científicos ahora tienen evidencia directa de qué estructura cristalina prefiere el agua superiónica en condiciones de gigante helado, y tienen un objetivo claro para la próxima ronda de experimentos y simulaciones.
Puntos clave
- Un equipo dirigido por Alexis Forestier en el CEA, en Francia, recreó en el laboratorio las condiciones del interior de un gigante helado usando una celda de yunque de diamante.
- El hielo se calentó por encima de 1800 kelvin y se sometió a presiones de hasta 230 gigapascales, más de dos millones de veces la presión atmosférica terrestre.
- La difracción de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón mostró átomos de oxígeno formando una red hexagonal compacta.
- Por encima de unos 200 gigapascales y 1800 kelvin, esta fase hexagonal se volvió dominante, reemplazando a la fase cúbica centrada en las caras.
- Los hallazgos, publicados en Physical Review Letters, podrían ayudar a explicar los inusuales campos magnéticos y las capas profundas del interior de Neptuno y Urano.
Este artículo se basa en la cobertura de Phys.org. Lea el artículo original.
Originally published on phys.org
