Cientistas descobrem um novo e estranho estado da matéria no interior de Urano e Netuno

Nas profundezas dos gigantes de gelo distantes do nosso Sistema Solar, elementos familiares podem se comportar de maneiras incomuns. 

Bela vista do planeta Netuno. Um novo estado da matéria previsto para o interior de Urano e Netuno poderá reformular a forma como os cientistas entendem o interior dos planetas. Crédito: Shutterstock

O interior profundo de gigantes de gelo como Urano e Netuno pode conter uma forma de matéria até então desconhecida, de acordo com uma nova pesquisa computacional realizada pelos cientistas Cong Liu e Ronald Cohen, da Carnegie Institution for Science.

O estudo, publicado na Nature Communications , sugere que o hidreto de carbono pode formar um estado superiônico quase unidimensional sob as pressões e temperaturas extremas encontradas muito abaixo da superfície desses planetas distantes.

Mais de 6.000 exoplanetas já foram identificados, e esse número continua a crescer. Para melhor compreender esses mundos, pesquisadores das áreas de astronomia, ciência planetária e geociências estão trabalhando cada vez mais em conjunto. Combinando observações, experimentos e modelos teóricos, eles buscam desvendar os processos que moldam os planetas, incluindo a formação de campos magnéticos.

Esse esforço crescente também aumentou o interesse no que acontece no interior dos planetas e luas do nosso próprio Sistema Solar. Estudar essas regiões ocultas pode aprimorar nossa compreensão do comportamento planetário e até mesmo fornecer pistas sobre a habitabilidade além da Terra.

Ilustração do composto de hidreto de carbono hexagonal previsto sob condições internas semelhantes às de Netuno. Nesta estrutura, o carbono forma as cadeias espirais externas (amarelas) e o hidrogênio forma as cadeias espirais internas (azuis), o que está de acordo com o comportamento superiônico quase unidimensional identificado em simulações de primeiros princípios. Crédito: Cong Liu

O Mistério dos “Gelos Quentes”

Dados sobre Urano e Netuno mostram que seus interiores provavelmente contêm camadas de "gelos quentes" incomuns. Essas camadas se situam entre as atmosferas externas de hidrogênio e hélio e os núcleos rochosos internos. Os cientistas acreditam que elas são compostas de água (H2O), metano (CH4) e amônia (NH4), mas, sob condições tão extremas, esses materiais podem assumir formas desconhecidas.

Em condições de pressão e temperatura extremamente elevadas, a matéria pode se comportar de maneiras inesperadas. É por isso que os cientistas utilizam tanto experimentos quanto modelos teóricos para explorar o que pode existir no interior desses planetas.

Para investigar isso, Liu e Cohen usaram computação avançada e aprendizado de máquina para executar simulações em nível quântico de hidreto de carbono (CH). Eles examinaram condições que variam de cerca de 5 milhões a 30 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra (500 a 3.000 gigapascais) e temperaturas entre 6.740 e 10.340 graus Fahrenheit (4.000 a 6.000 Kelvin) (cerca de 12.000 a 18.600 graus Fahrenheit). 

Os resultados apontam para a formação de uma rede hexagonal estruturada, onde os átomos de hidrogênio se movem ao longo de trajetórias espirais. Esse movimento cria um estado superiônico quase unidimensional.

Os materiais superiônicos situam-se entre os sólidos e os líquidos. Nesses sistemas, um conjunto de átomos permanece fixo em uma estrutura cristalina, enquanto outro conjunto se move livremente através dela.

“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.”

Implicações para a Ciência Planetária

O movimento direcional do hidrogênio nesse material pode afetar a forma como o calor e a eletricidade fluem dentro dos planetas. Isso, por sua vez, pode influenciar a distribuição de energia, a condutividade elétrica dessas regiões e a interpretação dos campos magnéticos dos gigantes de gelo pelos cientistas.

O estudo também demonstra que mesmo sistemas químicos simples podem desenvolver estruturas complexas sob condições extremas, ampliando o conhecimento dos pesquisadores sobre a matéria em altas pressões e temperaturas.

“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 da ciência planetária, a descoberta de materiais com propriedades fortemente direcionais também pode ser útil na ciência e engenharia de materiais, onde esse comportamento pode levar a novas tecnologias.

Scitechdaily.com