O interior de planetas gigantes de gelo como Urano e Netuno pode abrigar um estado da matéria até então desconhecido, de acordo com novas simulações computacionais realizadas por Cong Liu e Ronald Cohen, da Carnegie Institution for Science. O trabalho deles, publicado na Nature Communications , prevê a existência de um estado superiônico quase unidimensional de hidreto de carbono sob as pressões e temperaturas extremas encontradas no interior desses corpos do sistema solar externo.

Mais de 6.000 exoplanetas já foram descobertos. À medida que esse número aumenta, astrônomos, cientistas planetários e cientistas da Terra estão cruzando fronteiras disciplinares — combinando observação, experimentação e teoria — para definir e investigar os fatores que nos ajudam a compreender os processos dinâmicos que os moldam, incluindo a geração de campos magnéticos.

Assim, cresceu o interesse em compreender os processos que ocorrem nas profundezas da superfície dos planetas e luas do nosso próprio sistema solar, o que pode contribuir para a nossa compreensão da dinâmica planetária e até mesmo da habitabilidade em regiões mais distantes.

Medições das densidades de Urano e Netuno indicam que o interior desses planetas gigantes contém camadas intermediárias de "gelos quentes" não convencionais, que existem abaixo de seus envelopes atmosféricos de hidrogênio e hélio e acima de seus núcleos rochosos. Acredita-se que essas camadas sejam compostas de água (H2O ) , metano (CH4 ) e amônia (NH4 ) , mas, devido às condições extremas, presume-se que fases exóticas possam surgir.

A física nessas regiões de alta pressão e alta temperatura pode dar origem a estados da matéria não convencionais, e é por isso que teóricos e experimentalistas tentam prever e recriar o que seria encontrado nesses locais.

Utilizando computação de alto desempenho e aprendizado de máquina, Liu e Cohen realizaram simulações fundamentais de física quântica do hidreto de carbono (CH) sob pressões que variam de quase 5 milhões a quase 30 milhões de vezes a pressão atmosférica (500 a 3.000 gigapascais) e em temperaturas que variam de 6.740 a 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin).

Suas ferramentas previram o surgimento de uma estrutura hexagonal ordenada na qual os átomos de hidrogênio se movem ao longo de trajetórias espirais, criando um estado superiônico quase unidimensional.

Os materiais superiônicos ocupam um meio-termo incomum entre sólidos e líquidos: um tipo de átomo permanece organizado em uma estrutura cristalina, enquanto outro se torna móvel.

"Essa fase carbono-hidrogênio recém-prevista é particularmente impressionante porque o movimento atômico não é totalmente tridimensional", explicou Cohen. "Em vez disso, o hidrogênio se move preferencialmente ao longo de trajetórias helicoidais bem definidas, inseridas em uma estrutura de carbono ordenada."

A direção desse movimento tem implicações importantes para a forma como o calor e a eletricidade se movem pelo interior dos planetas. Tal comportamento pode influenciar a redistribuição de energia interna, a condutividade elétrica e, possivelmente, a interpretação da geração de campos magnéticos em gigantes de gelo.

Suas descobertas também ampliam nossa compreensão do comportamento de compostos simples sob condições extremas, sugerindo que mesmo sistemas simples podem se organizar em fases inesperadamente complexas.

"O carbono e o hidrogênio estão entre os elementos mais abundantes nos materiais planetários, mas seu comportamento combinado em condições de planeta gigante ainda está longe de ser totalmente compreendido", concluiu Liu.

Além do interior planetário, a capacidade de identificar fenômenos emergentes com forte direção na matéria condensada pode ter implicações para a ciência e a engenharia de materiais.