Planetas gelados, como Urano (U) e Netuno (N), são encontrados tanto em nosso sistema solar quanto em outros sistemas solares em todo o universo. No entanto, esses planetas, caracterizados por uma atmosfera espessa e um manto feito de materiais voláteis (por exemplo, água hidrogenada, amônia, etc.), são a classe de planetas menos explorada; assim, até agora pouco se sabe sobre sua origem, estrutura interior e composição.

As sondas Voyager, dois sistemas robóticos lançados pela NASA em uma missão para explorar o sistema solar externo , registraram medições interessantes sugerindo que os planetas gelados têm campos magnéticos peculiares. Essas medições mostraram que, ao contrário de outros tipos de planetas, como planetas terrestres e gigantes gasosos, os planetas gelados não possuem um campo magnético dipolar e, portanto, não possuem pólos magnéticos norte e sul claros.

Pesquisadores da Ecole Polytechnique, Sorbonne Université e outros institutos na Europa realizaram recentemente um estudo com o objetivo de entender melhor sob que forma a matéria poderia existir dentro desses planetas amplamente inexplorados. Seu artigo, publicado na Nature Physics , relata especificamente a curva de fusão da amônia superiônica em condições semelhantes às que a astrofísica espera encontrar dentro de U e N.

"A composição atmosférica de U e N sugere que seu manto é feito de uma mistura complexa de átomos de C, H, N e O, que também pode ser expresso em uma mistura de água (H 2 O), amônia (NH 3 ) e metano (CH 4 ), os chamados 'gelos planetários'", disse Jean Alexis Hernandez, um dos pesquisadores que realizou o estudo.

"No entanto, a falta de dados termodinâmicos sobre esses compostos e suas misturas nas condições extremas (vários milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra e vários milhares de Kelvin) de U e N impede os modelos geofísicos atuais desses planetas. A maioria dos modelos atuais considera que os mantos são feitos de água pura e o efeito de outros compostos ainda é desconhecido."

Estudos teóricos previram que em condições extremas, como as que se esperaria encontrar dentro de planetas gelados, a água e a amônia poderiam formar fases superiônicas. Nesses estados ou fases, os átomos de H se tornam altamente difusivos e se movem de maneiras que se assemelham ao movimento dos fluidos, enquanto os átomos restantes (ou seja, O e N) permanecem parados em uma rede cristalina.

“Recentemente, Millot e co-autores mostraram experimentalmente a existência de água superiônica e determinaram sua curva de fusão”, disse Hernandez. "Nosso trabalho é um experimento análogo, mas para amônia. Nosso experimento foi feito na instalação de laser LULI2000 na França, usando uma técnica chamada compressão de choque acionada por laser."

A compressão por choque a laser, técnica que Hernandez e seus colegas usaram em seus experimentos, consiste essencialmente em gerar uma onda de choque dentro da amostra por meio de um pulso de laser de alta potência. À medida que essa onda de choque se move através de uma amostra, ela aumenta sua pressão e temperatura.

O trânsito da onda de choque dura alguns nanossegundos (ou seja, alguns bilionésimos de segundo). Durante esse curto período de tempo, os pesquisadores mediram a velocidade do choque e a temperatura (T) da amostra. Eles então relacionaram a velocidade do choque à pressão dentro da amostra, usando um padrão interno, especificamente o quartzo.

"As condições PT na amostra chocada dependem de sua fase (sua estrutura)", disse Hernandez. "Para uma determinada fase, todas as condições PT possíveis que são alcançáveis ??por choque estão em uma única linha que é chamada de curva Hugoniot. Então, quando há uma mudança de fase durante a propagação do choque, as condições PT primeiro seguirão a Hugoniot do primeira fase, depois seguir o limite PT entre as duas fases, e finalmente chegar ao Hugoniot da segunda fase."

Durante o experimento da equipe, a onda de choque enviada pela amostra transformou a amônia em um fluido denso. Os pesquisadores também observaram uma torção na evolução da pressão e temperatura durante a propagação do choque.

“Essa torção corresponde ao momento em que as condições de PT na amostra param de seguir o Hugoniot da fase fluida e começam a seguir o limite com a fase superiônica”, disse Hernandez.

"Esses resultados foram apoiados por simulações atomísticas feitas por nossos coautores. Essas simulações baseadas na mecânica quântica reproduziram o comportamento da amônia nas condições experimentais. As simulações foram capazes de reproduzir com precisão os observáveis ??experimentais. Com base nesse acordo, nós as usamos para obter informações microscópicas sobre como os átomos de N e H estão se comportando em tais condições e determinar a condutividade do fluido e o estado superiônico da amônia em condições relevantes para Urano e Netuno."

Produzir ondas de choque em condições como as que podem ser encontradas dentro de U e N foi uma tarefa desafiadora. Isso ocorre em primeiro lugar porque, para produzir um choque forte, uma amostra deve ser sólida ou líquida em seu estado inicial (ou seja, antes da onda de choque entrar nela), mas a amônia é gasosa à temperatura ambiente.

Como resultado, os pesquisadores primeiro tiveram que liquefazer ou solidificar a amônia. Para complicar ainda mais as coisas, mesmo depois que a amônia é liquefeita (seja por resfriamento ou pressurização), o choque na amostra aumenta significativamente a temperatura, atingindo condições muito mais extremas do que aquelas dentro de U e N.

"Para enfrentar esses dois desafios, tivemos que primeiro pré-comprimir amônia até 3 GPa (30.000 bar) em um aparelho chamado célula bigorna de diamante", disse Hernandez.

"Este dispositivo é normalmente usado para criar altas pressões de maneira estática, mantendo a amostra em uma pequena prensa com bigornas de diamante. Em nosso experimento, tivemos que acoplar essa pré-compressão estática com nossa principal compressão de choque acionada por laser. Antes Após o choque, comprimimos a amônia em uma fase cristalina chamada amônia-III. Em seguida, aplicamos um choque na amônia-III, resultando nas condições PT dos interiores de Urano e Netuno."

Por meio de seus experimentos, Hernandez e seus colegas conseguiram delinear a curva de fusão da amônia superiônica de até 300 GPa, em condições que se esperaria encontrar dentro de planetas gelados. Isso pode ter implicações interessantes para trabalhos futuros, além de lançar uma nova luz sobre as possíveis características desses planetas amplamente inexplorados.

"Um resultado importante deste estudo é que a amônia fluida densa tem uma condutividade elétrica mais alta do que a água pura, o que significa que no interior de U e N, as regiões fluidas com maiores concentrações de amônia podem ter uma condutividade significativamente maior do que os arredores", explicou Hernandez. . "Essas variações de condutividade elétrica influenciam a geração ou a propagação dos campos magnéticos peculiares desses planetas."

Entender melhor o comportamento de sistemas puros, como água e amônia, em altas pressões e altas temperaturas, é um primeiro passo crucial para entender o que acontece dentro dos planetas gelados. Até agora, Hernandez e seus colegas se concentraram na curva de fusão da amônia superiônica sob essas condições extremas, mas os mantos de U, N misturas complexas de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, que planejam examinar em estudos posteriores.

“A determinação da curva de fusão também é uma descoberta importante, pois observamos um cruzamento com a curva de fusão da água superiônica entre 70 e 100 GPa, o que significa que a amônia derrete a uma temperatura mais baixa do que a água acima dessa faixa de pressão”, acrescentou Hernandez. "Esta é uma entrada importante para determinar a extensão (se houver) de regiões sólidas ou superiônicas dentro dos mantos de Urano e Netuno. Em experimentos futuros, tentaremos explorar gradualmente sistemas mais complexos, como a mistura de água e amônia. "