Os planetas gelados, como Urano e Netuno, são encontrados tanto em nosso sistema solar quanto em outros sistemas solares espalhados pelo universo. Caracterizados por uma atmosfera espessa e um manto composto por materiais voláteis, como água de hidrogênio, amônia, entre outros, esses planetas são a classe menos explorada de planetas. Portanto, pouco se sabe sobre sua origem, estrutura interna e composição.
As sondas Voyager, dois sistemas robóticos lançados pela NASA para explorar o sistema solar externo, registraram medições interessantes sugerindo que os planetas gelados possuem campos magnéticos peculiares. Essas medições mostraram que, ao contrário de outros tipos de planetas, como os planetas terrestres e os gigantes gasosos, os planetas gelados não possuem um campo magnético dipolar, ou seja, não possuem claros polos magnéticos norte e sul.
Pesquisadores da Ecole Polytechnique, Sorbonne Université e outros institutos na Europa realizaram recentemente um estudo com o objetivo de entender melhor em que forma a matéria poderia existir dentro desses planetas amplamente inexplorados. Seu artigo, publicado na Nature Physics, relata especificamente a curva de fusão da amônia superiônica em condições semelhantes às que os astrofísicos esperam encontrar dentro de Urano e Netuno.
“A composição atmosférica de Urano e Netuno sugere que seus mantos são feitos de uma mistura complexa de átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio, que também pode ser expressa em uma mistura de água (H2O), amônia (NH3) e metano (CH4), os chamados ‘gelo planetário'”, disse Jean Alexis Hernandez, um dos pesquisadores que realizou o estudo.
No entanto, a falta de dados termodinâmicos sobre esses compostos e suas misturas nas condições extremas (vários milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra e vários milhares de Kelvin) de Urano e Netuno impede os modelos geofísicos atuais desses planetas. A maioria dos modelos atuais considera que os mantos são feitos de água pura e o efeito de outros compostos ainda é desconhecido.
Estudos teóricos previram que em condições extremas, como as que se esperaria encontrar dentro de planetas gelados, a água e a amônia poderiam formar fases superiônicas. Nestes estados ou fases, os átomos de hidrogênio se tornam altamente difusivos e se movem de maneiras que se assemelham ao movimento dos fluidos, enquanto os átomos restantes (ou seja, oxigênio e nitrogênio) permanecem parados em uma rede cristalina.
“Recentemente, Millot e co-autores mostraram experimentalmente a existência de água superiônica e determinaram sua curva de fusão”, disse Hernandez. “Nosso trabalho é um experimento análogo, mas para a amônia. Nosso experimento foi realizado na instalação de laser LULI2000 na França, usando uma técnica chamada compressão de choque acionada por laser.”
A compressão de choque acionada por laser, a técnica que Hernandez e seus colegas usaram em seus experimentos, consiste essencialmente em gerar uma onda de choque dentro da amostra usando um pulso de laser de alta potência. À medida que essa onda de choque se move através de uma amostra, ela aumenta tanto sua pressão quanto sua temperatura.
O trânsito da onda de choque dura alguns nanossegundos (ou seja, alguns bilionésimos de segundo). Durante esse curto período de tempo, os pesquisadores mediram tanto a velocidade do choque quanto a temperatura (T) da amostra. Eles então relacionaram a velocidade do choque à pressão dentro da amostra, usando um padrão interno, especificamente o quartzo.
“As condições P-T na amostra chocada dependem de sua fase (sua estrutura)”, disse Hernandez. “Para uma determinada fase, todas as possíveis condições P-T que são alcançáveis pelo choque estão em uma única linha chamada curva de Hugoniot. Portanto, quando há uma mudança de fase durante a propagação do choque, as condições P-T seguirão primeiro o Hugoniot da primeira fase, depois seguirão a fronteira P-T entre as duas fases, e finalmente alcançarão o Hugoniot da segunda fase.”
Durante o experimento da equipe, a onda de choque enviada através de sua amostra transformou a amônia em um fluido denso. Os pesquisadores também observaram uma mudança na evolução da pressão e da temperatura durante a propagação do choque.
“Essa mudança corresponde ao momento em que as condições P-T na amostra param de seguir o Hugoniot da fase fluida e começam a seguir a fronteira com a fase superiônica”, disse Hernandez.
“Esses resultados foram apoiados por simulações atômicas feitas por nossos co-autores. Essas simulações baseadas em mecânica quântica reproduziram o comportamento da amônia nas condições experimentais. As simulações foram capazes de reproduzir com precisão as observáveis experimentais. Com base nesse acordo, usamos essas simulações para obter insights microscópicos sobre como os átomos de nitrogênio e hidrogênio se comportam nessas condições e determinar a condutividade do fluido e o estado superiônico da amônia em condições relevantes para Urano e Netuno.”
Produzir ondas de choque em condições como as que podem ser encontradas dentro de Urano e Netuno foi uma tarefa desafiadora. Isso ocorre principalmente porque para produzir um choque forte, uma amostra deve ser sólida ou líquida em seu estado inicial (ou seja, antes que a onda de choque entre nela), mas a amônia é gasosa à temperatura ambiente.
Como resultado, os pesquisadores primeiro tiveram que liquefazer ou solidificar a amônia. Para complicar ainda mais as coisas, mesmo depois que a amônia é liquefeita (seja por resfriamento ou pressurização), o choque na amostra eleva significativamente a temperatura, alcançando condições muito mais extremas do que as encontradas dentro de Urano e Netuno.
“Para enfrentar esses dois desafios, tivemos que primeiro pré-comprimir a amônia até 3 GPa (30000 bares) em um aparelho chamado célula de bigorna de diamante”, disse Hernandez.
“Este dispositivo é normalmente usado para criar altas pressões de forma estática, mantendo a amostra em uma pequena prensa com bigornas de diamante. Em nosso experimento, tivemos que acoplar essa pré-compressão estática com nossa principal compressão de choque acionada por laser. Antes do choque, comprimimos a amônia em uma fase cristalina chamada amônia-III. Então chocamos a amônia-III, resultando nas condições P-T dos interiores de Urano e Netuno.”
Por meio de seus experimentos, Hernandez e seus colegas foram finalmente capazes de traçar a curva de fusão da amônia superiônica até 300 GPa, em condições que se esperaria encontrar dentro de planetas gelados. Isso poderia ter implicações interessantes para trabalhos futuros, além de lançar nova luz sobre as possíveis características desses planetas amplamente inexplorados.
“Um resultado importante deste estudo é que a amônia fluida densa tem uma condutividade elétrica maior do que a água pura, o que significa que nos interiores de Urano e Netuno, regiões fluidas com concentrações mais altas de amônia poderiam ter uma condutividade significativamente maior do que as áreas circundantes”, explicou Hernandez. “Essas variações de condutividade elétrica influenciam a geração ou a propagação dos campos magnéticos peculiares desses planetas.”
Entender melhor o comportamento de sistemas puros, como água e amônia, em altas pressões e altas temperaturas, é um primeiro passo crucial para entender o que acontece dentro de planetas gelados. Até agora, Hernandez e seus colegas se concentraram na curva de fusão da amônia superiônica nessas condições extremas, mas os mantos de Urano e Netuno são misturas complexas de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, que eles planejam examinar em estudos futuros.
“A determinação da curva de fusão também é uma descoberta importante, pois observamos um cruzamento com a curva de fusão da água superiônica entre 70 e 100 GPa, o que significa que a amônia derrete a uma temperatura mais baixa do que a água acima dessa faixa de pressão”, acrescentou Hernandez. “Isso é uma informação importante para determinar a extensão (se houver) de regiões sólidas ou superiônicas dentro dos mantos de Urano e Netuno. Em experimentos futuros, tentaremos explorar gradualmente sistemas mais complexos, como a mistura de água e amônia.”
Fonte:
https://phys.org/news/2023-07-superionic-ammonia-icy-planetary-interior.html
