Se utilizaron un yunque de diamante (arriba a la derecha) y un láser en el laboratorio en una muestra de olivina para lograr las condiciones de presión-temperatura esperadas en la parte superior de la capa de agua bajo la atmósfera de hidrógeno de Urano (izquierda). En este experimento, el magnesio en olivino se disolvió en el agua. Crédito: Shim / ASU
Si bien los científicos han acumulado un conocimiento considerable sobre los planetas rocosos de nuestro sistema solar, como la Tierra y Marte, se sabe mucho menos sobre los planetas ricos en hielo Neptuno y Urano.
En un nuevo estudio publicado recientemente en Astronomía de la naturaleza, un equipo de científicos recreó la temperatura y la presión dentro de Neptuno y Urano en un laboratorio, dándoles una mejor comprensión de la química de las capas de aguas profundas en estos planetas. Los hallazgos también brindan pistas sobre la composición de los océanos en exoplanetas ricos en agua fuera de nuestro sistema solar.
Tradicionalmente, se cree que Neptuno y Urano tienen capas separadas separadas, que consisten en la atmósfera, hielo o fluido, un manto de roca y un núcleo de metal. En este estudio, el equipo de investigación estuvo particularmente interesado en la posible reacción entre el agua y la roca en espacios profundos.
“A través de esta investigación, buscamos ampliar nuestra comprensión de los interiores profundos de los gigantes de hielo y determinar qué interacciones agua-roca pueden existir en condiciones extremas”, dice el autor principal Taehyun Kim de la Universidad de Yonsei en Corea del Sur. “Los gigantes de hielo y algunos exoplanetas tienen capas de agua muy profundas, a diferencia de los planetas terrestres. Propusimos la posibilidad de mezclar a escala atómica los dos materiales de construcción del planeta (agua y roca) en el interior de gigantes de hielo ”.
Para imitar las condiciones de aguas profundas en Neptuno y Urano en el laboratorio, el equipo primero sumergió minerales típicos formadores de rocas, olivino y ferropericasa, en el agua y luego comprimió la muestra en un yunque de diamante a presiones muy altas. Luego, para monitorear la reacción entre los minerales y el agua, tomaron medidas de rayos X mientras el láser calentaba la muestra a altas temperaturas.
La reacción química resultante condujo a altas concentraciones de magnesio en el agua. Con base en estos hallazgos, el equipo concluyó que los océanos en planetas ricos en agua pueden no tener las mismas propiedades químicas que el océano terrestre, y que la alta presión haría que estos océanos fueran ricos en magnesio.
“Descubrimos que el magnesio se vuelve mucho más soluble en agua a alta presión. De hecho, el magnesio puede volverse tan soluble en las capas de agua de Urano y Neptuno como la sal en el océano de la Tierra, dice el coautor del estudio, Sang-Heon Dan Shim, de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona.
Una imagen de microscopio electrónico de una muestra de olivino muestra una gran estructura de cúpula hueca en la que el magnesio se precipita a alta presión como óxido de magnesio. Fuente: Kim et al.
Estas características también podrían ayudar a resolver el misterio de por qué la atmósfera de Urano es mucho más fría que la de Neptuno, a pesar de que ambos son planetas ricos en agua. Si hay una cantidad significativamente mayor de magnesio en Urano debajo de la atmósfera, puede bloquear el escape de calor del interior a la atmósfera.
“Esta agua rica en magnesio puede actuar como una manta térmica para el interior del planeta”, dice Shim.
Fuera de nuestro sistema solar, estos experimentos de alta presión y alta temperatura también podrían ayudar a los científicos a comprender mejor los exoplanetas subneptuno, que son planetas fuera de nuestro sistema solar con un radio o masa más pequeño que Neptuno.
Los planetas subneptuno son el tipo de exoplaneta más común conocido hasta la fecha, y los científicos que estudian estos planetas plantean la hipótesis de que muchos de ellos pueden tener una capa gruesa y rica en agua con un interior rocoso. Este nuevo estudio sugiere que los océanos profundos de estos exoplanetas diferirían significativamente de los océanos terrestres y podrían ser ricos en magnesio.
“Si un proceso dinámico temprano permitió que el agua y las rocas reaccionaran en estos exoplanetas, la capa superior de agua podría ser rica en magnesio, lo que posiblemente afectaría la historia térmica del planeta”, dice Shim.
En los próximos pasos, el equipo espera continuar sus experimentos de alta presión / alta temperatura en diferentes condiciones para aprender más sobre la composición de los planetas.
“Este experimento proporcionó un plan para una mayor exploración de fenómenos desconocidos en los gigantes de hielo”, dice Kim.
Proporcionado por la Universidad Estatal de Arizona