La lluvia de diamantes en Neptuno

En lo profundo de los corazones de Neptuno y Urano, podría estar lloviendo diamantes. Ahora, los científicos han producido nuevas pruebas experimentales que muestran cómo esto podría ser posible.

La hipótesis es que el intenso calor y la presión a miles de kilómetros debajo de la superficie de estos gigantes de hielo deberían separar los compuestos de hidrocarburos, con el carbono comprimiéndose en diamante y hundiéndose aún más profundamente hacia los núcleos planetarios.

El nuevo experimento utilizó el láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC para las mediciones más precisas de cómo debería ocurrir este proceso de lluvia de diamantes , y descubrió que el carbono pasa directamente a un diamante cristalino.

"Esta investigación proporciona datos sobre un fenómeno que es muy difícil de modelar computacionalmente: la 'miscibilidad' de dos elementos, o cómo se combinan cuando se mezclan", explicó el físico de plasma Mike Dunne, director de la LCLS, y no figura como autor en el papel.

"Aquí ven cómo se separan dos elementos, como hacer que la mayonesa se separe nuevamente en aceite y vinagre".

Neptuno y Urano son los planetas menos entendidos del Sistema Solar. Están prohibitivamente lejos: solo una sonda espacial, Voyager 2, incluso ha estado cerca de ellos, y solo para un sobrevuelo, no una misión dedicada a largo plazo.

Pero los gigantes de hielo son extremadamente comunes en la Vía Láctea más amplia: según la NASA, los exoplanetas similares a Neptuno son 10 veces más frecuentes que los exoplanetas similares a Júpiter.

Comprender los gigantes de hielo de nuestro Sistema Solar, por lo tanto, es vital para comprender los planetas en toda la galaxia. Y para comprenderlos mejor, necesitamos saber qué sucede debajo de sus serenos exteriores azules.

Sabemos que las atmósferas de Neptuno y Urano están compuestas principalmente de hidrógeno y helio, con una pequeña cantidad de metano. Debajo de estas capas atmosféricas, un fluido supercaliente y superdenso de materiales "helados" como el agua, el metano y el amoníaco envuelve el núcleo del planeta.

Y los cálculos y experimentos que datan de décadas han demostrado que, con suficiente presión y temperatura, el metano puede descomponerse en diamantes, lo que sugiere que se pueden formar diamantes dentro de este material caliente y denso.

Un experimento anterior en SLAC dirigido por el físico Dominik Kraus en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en Alemania usó difracción de rayos X para demostrarlo. Ahora Kraus y su equipo han llevado su investigación un paso más allá.

"Ahora tenemos un nuevo enfoque muy prometedor basado en la dispersión de rayos X", dijo Kraus sobre sus últimos esfuerzos. "Nuestros experimentos están entregando parámetros importantes del modelo donde, antes, solo teníamos una incertidumbre masiva. Esto será cada vez más relevante a medida que descubramos más exoplanetas".

Es difícil replicar los interiores de planetas gigantes aquí en la Tierra. Necesitas un equipo bastante intenso: ese es el LCLS. Y necesitas un material que reproduzca las cosas dentro de ese planeta gigante. Para esto, el equipo utilizó el poliestireno hidrocarbonado (C8H8) en lugar de metano (CH4).

El primer paso es calentar y presurizar el material para replicar las condiciones dentro de Neptuno a una profundidad de alrededor de 10,000 kilómetros (6,214 millas): los pulsos de láser óptico generan ondas de choque en el poliestireno, que calienta el material hasta alrededor de 5,000 Kelvin (4,727 grados Celsius, o 8,540 grados Fahrenheit). También crea una presión intensa.

"Producimos alrededor de 1,5 millones de bares, lo que equivale a la presión ejercida por el peso de unos 250 elefantes africanos en la superficie de una miniatura", dijo Kraus.

En el experimento anterior, se usó difracción de rayos X para luego sondear el material. Esto funciona bien para materiales con estructuras cristalinas, pero no tanto con moléculas no cristalinas, por lo que la imagen estaba incompleta. En el nuevo experimento, el equipo utilizó un método diferente, midiendo cómo los rayos X dispersaban los electrones en el poliestireno.

Esto les permitió no solo observar la conversión de carbono en diamante, sino también lo que le sucede al resto de la muestra: se divide en hidrógeno. Y prácticamente no quedan restos de carbono.

"En el caso de los gigantes de hielo, ahora sabemos que el carbono forma casi exclusivamente diamantes cuando se separa y no adquiere una forma fluida de transición", dijo Kraus.

Esto es importante, porque hay algo realmente extraño en Neptuno. Su interior es mucho más caliente de lo que debería ser; de hecho, emite 2.6 veces más energía de la que absorbe del sol.

Si los diamantes, más densos que el material que los rodea, están lloviendo en el interior del planeta, podrían estar liberando energía gravitacional, que se convierte en calor generado por la fricción entre los diamantes y el material que los rodea.

Este experimento sugiere que no tenemos que encontrar una explicación alternativa ... todavía no, de todos modos. Y también muestra un método que podríamos usar para 'sondear' los interiores de otros planetas del Sistema Solar.

"Esta técnica nos permitirá medir procesos interesantes que de otro modo serían difíciles de recrear", dijo Kraus.

"Por ejemplo, podremos ver cómo el hidrógeno y el helio, elementos que se encuentran en el interior de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno, se mezclan y separan en estas condiciones extremas. Es una nueva forma de estudiar la historia evolutiva de los planetas y planetas sistemas, así como experimentos de apoyo hacia posibles futuras formas de energía de fusión ".

La investigación ha sido publicada en Nature Communications.