"Chuva de diamantes" em planetas gigantes gelados pode ser mais comum do que se pensava anteriormente

Um novo estudo descobriu que a "chuva de diamantes", um tipo de precipitação exótica há muito teorizada nos planetas gigantes gelados, pode ser mais comum do que se pensava anteriormente.

Neptuno, fotografado pelo Hubble, onde chovem diamantes. Crédito: NASA, ESA, A. Simon (Centro de Voo Espacial Goddard) e M.H. Wong (Universidade da Califórnia em Berkeley) e equipa OPAL 

Numa experiência anterior, os investigadores imitaram as temperaturas e pressões extremas encontradas nas profundezas dos gigantes gelados Neptuno e Úrano e, pela primeira vez, observaram a chuva de diamantes à medida que se formava.

Investigando este processo num novo material que mais se assemelha à composição química de Neptuno e Úrano, cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA e colegas descobriram que a presença de oxigénio torna a formação de diamantes mais provável, permitindo a sua formação e crescimento numa gama mais vasta de condições e em mais planetas.

O novo estudo fornece uma imagem mais completa de como a chuva de diamantes se forma noutros planetas e, aqui na Terra, poderá levar a uma nova forma de fabricar nanodiamantes, que têm uma gama muito ampla de aplicações no fornecimento de medicamentos, sensores médicos, cirurgia não invasiva, fabrico sustentável e eletrónica quântica.

"O artigo anterior foi a primeira vez que vimos diretamente a formação de diamantes a partir de qualquer mistura", disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Alta Densidade Energética no SLAC. "Desde então, tem havido muitas experiências com diferentes materiais puros. Mas, dentro dos planetas, é muito mais complicado; há muitas mais substâncias químicas na mistura. E por isso, o que queríamos descobrir aqui era que tipo de efeito têm estes químicos adicionais".

A equipa, liderada pelo HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) e pela Universidade de Rostock na Alemanha, bem como pela Escola Politécnica francesa em colaboração com o SLAC, publicou os seus resultados na revista Science Advances.

Começando pelo plástico

Na experiência anterior, os cientistas estudaram um material plástico feito de uma mistura de hidrogénio e carbono, componentes-chave da composição química global de Neptuno e Úrano. Mas para além do carbono e hidrogénio, os gigantes de gelo contêm outros elementos, tais como grandes quantidades de oxigénio. 

Na experiência mais recente, os investigadores usaram plástico PET - frequentemente utilizado em embalagens alimentares, garrafas de plástico e recipientes - para reproduzir a composição destes planetas.

"O PET tem um bom equilíbrio entre o carbono, o hidrogénio e o oxigénio para simular a atividade nos planetas de gelo", disse Dominik Kraus, físico no HZDR e professor na Universidade de Rostock.

O oxigénio é o melhor amigo de um diamante

Os investigadores usaram um laser ótico de alta potência no instrumento MEC (Matter in Extreme Conditions) do LCLS (Linac Coherent Light Source) do SLAC para criar ondas de choque no PET. Em seguida, sondaram o que aconteceu ao plástico com pulsos de raios-X do LCLS.

Utilizando um método chamado difração de raios-X, observaram como os átomos do material se rearranjavam em pequenas regiões diamantíferas. Utilizaram simultaneamente outro método chamado dispersão de pequenos ângulos, que não tinha sido usada no primeiro artigo, para medir a rapidez e o tamanho do crescimento dessas regiões.

Usando este método adicional, foram capazes de determinar que estas regiões diamantíferas cresceram até alguns nanómetros de largura. Verificaram que, com a presença de oxigénio no material, os nanodiamantes eram capazes de crescer a pressões e temperaturas mais baixas do que as observadas anteriormente.

"O efeito do oxigénio foi acelerar a divisão do carbono e hidrogénio e assim encorajar a formação de nanodiamantes", disse Kraus. "Isso significava que os átomos de carbono podiam combinar-se mais facilmente e formar diamantes".

Planetas sem gelo

Os investigadores preveem que os diamantes em Neptuno e Úrano se tornariam muito maiores do que os nanodiamantes produzidos nestas experiências - talvez com milhões de quilates em massa. Ao longo de milhares de anos, os diamantes poderiam afundar-se lentamente através das camadas de gelo dos planetas e reunir-se numa espessa camada em torno do núcleo sólido do planeta.

A equipa também encontrou evidências de que, em combinação com os diamantes, a água superiónica também se poderia formar. Esta fase recentemente descoberta da água é frequentemente descrita como "gelo quente e preto", existe a temperaturas e pressões extremamente elevadas. Nestas condições extremas, as moléculas de água quebram-se e os átomos de oxigénio formam uma malha de cristal em que os núcleos de hidrogénio flutuam livremente. Dado que estes núcleos flutuantes livres são carregados eletricamente, a água superiónica pode conduzir corrente elétrica e pode explicar os invulgares campos magnéticos em Úrano e Neptuno.

As descobertas poderiam também ter impacto na nossa compreensão dos planetas em galáxias distantes, uma vez que os cientistas pensam agora que os gigantes gelados são o tipo mais comum de planeta para lá do nosso Sistema Solar.

"Sabemos que o núcleo da Terra é predominantemente feito de ferro, mas muitas experiências ainda estão a investigar como a presença de elementos mais leves pode alterar as condições de fusão e as transições de fase", disse Silvia Pandolfi, cientista e colaboradora do SLAC. "A nossa experiência demonstra como estes elementos podem mudar as condições em que os diamantes se estão a formar nos planetas gigantes. Se queremos modelar com precisão os planetas, então precisamos de nos aproximar o mais possível da composição real do interior planetário".

Diamantes em bruto

A investigação também indica um potencial percurso para a produção de nanodiamantes por compressão de choque a laser para plásticos PET baratos. Embora já incluídos em agentes abrasivos e de polimento, no futuro, estas pequenas pedras preciosas podem potencialmente ser utilizadas para sensores quânticos, agentes de contraste médicos e aceleradores de reação para energias renováveis.

"O modo como os nanodiamantes são atualmente feitos, é pegando num monte de carbono ou diamante e explodi-lo com explosivos", disse Benjamin Ofori-Okai, cientista e colaborador do SLAC. "Isto cria nanodiamantes de vários tamanhos e formas e são difíceis de controlar. O que estamos a ver nesta experiência é uma reatividade diferente da mesma espécie sob altas temperaturas e pressões. Em alguns casos, os diamantes parecem estar a formar-se mais rapidamente do que outros, o que sugere que a presença destes outros químicos pode acelerar este processo.

A produção a laser poderia oferecer um método mais limpo e mais facilmente controlado para produzir nanodiamantes. Se conseguirmos conceber formas de mudar algumas coisas sobre a reatividade, podemos mudar a rapidez com que se formam e, portanto, o seu tamanho".

Em seguida, os investigadores estão a planear experiências semelhantes usando amostras líquidas contendo etanol, água e amónia - de que são principalmente feitos Úrano e Neptuno - o que nos aproximará ainda mais da compreensão exata de como se formam as chuvas diamantíferas noutros planetas.

"O facto de podermos recriar estas condições extremas para ver como estes processos se desenrolam em escalas muito rápidas e muito pequenas é excitante", disse Nicholas Hartley, cientista e colaborador do SLAC. "Adicionar oxigénio aproxima-nos mais do que nunca de ver a imagem completa destes processos planetários, mas ainda há mais trabalho a ser feito. É um passo no caminho para obter a mistura mais realista e para ver como estes materiais se comportam verdadeiramente noutros planetas".

Fonte: Astronomia OnLine