Se recrean las condiciones para comprobar que en Urano y Neptuno llueven diamantes!

Durante más de tres décadas, la estructura interna y la evolución de Urano y Neptuno han sido objeto de debate entre los científicos. Dada su distancia de la Tierra y el hecho de que sólo unas pocas naves espaciales robóticas los han estudiado directamente, lo que ocurre dentro de estos gigantes de hielo sigue siendo algo misterioso. En lugar de pruebas directas, los científicos han confiado en modelos y experimentos para replicar las condiciones en sus interiores.

Por ejemplo, se ha teorizado que dentro de Urano y Neptuno, las condiciones de presión extrema comprimen el hidrógeno y el carbono creando diamantes, que luego se hunden en el interior. Gracias a un experimento llevado a cabo por un equipo internacional de científicos, esta “lluvia de diamantes” fue recreada en condiciones de laboratorio por primera vez, dándonos un primer vistazo a lo que podría ser como dentro de estos gigantes de hielo.

El estudio que detalla este experimento, titulado “Formación de Diamantes en Hidrocarburos Láser-Comprimidos en Condiciones Planetarias Internas”, apareció recientemente en la revista Nature Astronomy. Dirigido por el Dr. Dominik Kraus, físico del Instituto Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf de Física de Radiación, el equipo incluyó miembros del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y de la UC Berkeley.

Durante décadas, los científicos han sostenido que en los interiores de planetas como Urano y Neptuno consisten en núcleos sólidos rodeados por una densa concentración de “hielo”. En este caso, el hielo se refiere a moléculas de hidrógeno conectadas a elementos más ligeros (es decir, como carbono, oxígeno y/o nitrógeno) para crear compuestos tales como agua y amoníaco. Bajo condiciones de presión extrema, estos compuestos se convierten en semi-sólido, formando algo parecido a la “nieve”.

Y a unos 10.000 kilómetros bajo la superficie de estos planetas, se cree que la compresión de hidrocarburos crea diamantes. Para recrear estas condiciones, el equipo internacional sometió una muestra de plástico de poliestireno a dos ondas de choque usando un láser óptico intenso en el instrumento de Materia en Condiciones Extremas (MEC), que luego se emparejaron con pulsos de rayos X de la Linac Coherent Light Source (LCLS).

Como explicó el Dr. Kraus, en un comunicado de prensa:

“Hasta ahora, nadie ha podido observar directamente estas chispeantes duchas en un entorno experimental. En nuestro experimento, expusimos un tipo especial de plástico, poliestireno, que también consiste en una mezcla de carbono e hidrógeno, a unas condiciones similares a las de Neptuno o Urano”.

El plástico en este experimento simula compuestos formados a partir de metano, una molécula que consta de un átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. Es la presencia de este compuesto que da a Urano ya Neptuno su coloración azul distintivo. En las capas intermedias de estos planetas, también forma cadenas de hidrocarburos que se comprimen en diamantes que podrían ser millones de quilates de peso.

El láser óptico empleado por el equipo creó dos ondas de choque que simulaban con precisión las condiciones de temperatura y presión en las capas intermedias de Urano y Neptuno. El primer choque fue más pequeño y más lento, y luego fue superado por el segundo choque más fuerte. Cuando se superpusieron, la presión alcanzó su punto máximo y pequeños diamantes empezaron a formarse. En este punto, el equipo investigó sometió las reacciones con pulsos de rayos X de la LCLS.

Esta técnica, conocida como difracción de rayos X, permitió al equipo ver los diamantes pequeños formarse en tiempo real, lo que era necesario ya que una reacción de este tipo sólo puede durar unas fracciones de segundo.

Al final, el equipo de investigación encontró que casi cada átomo de carbono en la muestra de plástico original se incorporó en pequeñas estructuras de diamante. Aunque midieron sólo unos pocos nanómetros de diámetro, el equipo predice que en Urano y Neptuno, los diamantes serían mucho más grandes. Con el tiempo, especulan que estos podrían hundirse en las atmósferas de los planetas y formar una capa de diamante alrededor del núcleo.

En estudios previos, los intentos de recrear las condiciones en el interior de Urano y Neptuno tuvieron un éxito limitado. Mientras que mostraban resultados que indicaban la formación de grafito y diamantes, los equipos que los realizaban no podían capturar las mediciones en tiempo real. Como se ha señalado, las temperaturas extremas y las presiones que existen dentro de estos gigantes de gas/hielo sólo pueden ser simuladas en un laboratorio por períodos de tiempo muy cortos.

Sin embargo, gracias a LCLS, que crea pulsos de rayos X un billón de veces más brillantes que los instrumentos anteriores y los dispara a una velocidad de alrededor de 120 pulsos por segundo (cada uno durando sólo cuadriliones de segundo), el equipo científico pudo medir directamente la reacción química por primera vez. Al final, estos resultados son de particular importancia para los científicos planetarios que se especializan en el estudio de cómo los planetas se forman y evolucionan.

Este experimento también abre nuevas posibilidades para la compresión de la materia y la creación de materiales sintéticos. Los nanodiamantes tienen actualmente muchas aplicaciones comerciales, es decir, medicina, electrónica, equipo científico, etc., y crearlos con láser sería mucho más rentable y seguro que los métodos actuales (que incluyen explosivos).

La investigación de la fusión, que también se basa en la creación de condiciones extremas de presión y temperatura para generar energía abundante, también podría beneficiarse de este experimento. Además de eso, los resultados de este estudio ofrecen una pista tentadora en lo que los núcleos de planetas masivos parecen. Además de estar compuesto de roca de silicato y metales, los gigantes de hielo también pueden tener una capa de diamante en su frontera núcleo-manto.

Suponiendo que podamos crear sondas de materiales súper fuertes algún día, ¿no valdría la pena investigarlo?

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