La estructura interna de los planetas exteriores del sistema solar sigue siendo un misterio para los astrónomos. En el caso de Júpiter, la sonda espacial Juno de la NASA ayuda a resolver este misterio. Y en el laboratorio terrestre, los investigadores han encontrado pistas que le permiten observar el interior de los gigantes de hielo Neptuno y Urano. Y resultó que allí puede haber lluvias de diamantes.
Un equipo internacional de investigadores pudo demostrar que los compuestos de hidrocarburos se están dividiendo dentro de los planetas gigantes de hielo: Neptuno y Urano. Esto convierte el carbono en una "lluvia de diamantes".
Los científicos del Centro Helmholtz en Dresden-Rossendorf (HZDR), en colaboración con sus colegas alemanes y estadounidenses, pudieron demostrar que se forman "lluvias de diamantes" dentro de los gigantes de hielo de nuestro sistema solar. Con la ayuda de láseres de rayos X de ultra alta potencia y otras instalaciones del Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) en California, simularon la estructura interna de gigantes espaciales. Gracias a esto, los científicos pudieron por primera vez en tiempo real observar la descomposición de los hidrocarburos y la transformación del carbono en diamante.
Un núcleo sólido envuelto en densas capas de "hielo": así es como se ve la estructura interna de los planetas Neptuno y Urano. Dicho hielo espacial está compuesto principalmente de hidrocarburos, agua y amoníaco. Y durante mucho tiempo, los astrofísicos se han inclinado a pensar que la presión extremadamente alta, que prevalece aquí a profundidades de unos 10 mil kilómetros, conduce a la descomposición de los hidrocarburos. En este caso, se forman diamantes, que se hunden más en las profundidades de los planetas.
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"Hasta ahora, nadie ha podido observar una precipitación tan brillante en un experimento directo", dice el Dr. Dominik Kraus de HZDR. Pero fue en esto que él y el grupo internacional de investigadores dirigido por él tuvieron éxito. “En el curso de nuestra investigación, colocamos una forma especial de plástico, el poliestireno, que se basa en una mezcla de carbono e hidrógeno, en condiciones similares a las que se encuentran dentro de Neptuno y Urano.
Para lograr el efecto deseado, enviaron dos ondas de choque a través de las muestras, excitadas por láseres ópticos extremadamente potentes en combinación con una fuente de rayos X SLAC llamada Fuente de luz coherente lineal (LCLS). Como resultado, el plástico se comprimió a una presión de aproximadamente 150 Gigapascales a una temperatura de aproximadamente 5.000 grados Celsius. “La primera ola, más débil y lenta, fue superada por la segunda ola más poderosa”, explica Kraus. "Y es en el mismo momento en que ambas ondas se cruzan cuando se forman la mayoría de los diamantes".
Dado que esto solo dura una fracción de segundo, los investigadores utilizaron la defracción de rayos X de alta velocidad, que les proporcionó una instantánea de la formación de diamantes y los procesos químicos. "Los experimentos muestran que casi todos los átomos de carbono se combinan para formar estructuras de diamante de tamaño nanométrico", resume el científico de Dresde. Según los resultados, los autores del estudio sugieren que los diamantes en Neptuno y Urano forman estructuras significativamente más grandes y se asientan lentamente en el núcleo del planeta durante miles y millones de años.
"De los datos experimentales que hemos recibido, también podemos obtener información que nos permitirá comprender mejor la estructura de los exoplanetas", dice Kraus sobre las perspectivas. Para estos gigantes espaciales fuera del sistema solar, los investigadores pueden medir solo dos parámetros: la masa, que se determina a partir de las oscilaciones posicionales de su estrella madre, y el radio, que los astrónomos derivan del oscurecimiento que se produce cuando el planeta transita frente al disco estelar. La relación entre los dos valores le permite obtener los datos iniciales sobre la estructura química, por ejemplo, si el planeta está formado por elementos ligeros o pesados.
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“Y los procesos químicos dentro de los planetas nos dicen aspectos que nos permiten sacar conclusiones sobre las propiedades básicas de estos cuerpos celestes”, continúa Kraus. “Gracias a esto, podemos mejorar y mejorar los modelos planetarios ya existentes en la ciencia. Los estudios muestran que el modelado aún no es un método particularmente preciso.
Pero junto con el conocimiento astrofísico, los experimentos también pueden tener un valor práctico. Por ejemplo, los nanodiamantes formados durante los experimentos se pueden utilizar para instrumentos electrónicos y en tecnología médica, así como para cortar materiales en la producción industrial. Hasta ahora, los diamantes artificiales se fabrican mediante explosiones. Pero hacerlos usando tecnología láser hará que dicha producción sea más limpia y controlada.
Los científicos escribieron sobre los resultados de la investigación en un artículo publicado en la revista Nature Astronomy.
