Artículo publicado por Neal Singer el 15 de marzo de 2012 en Sandia News
Los planetas gigantes de hielo tienen más volumen de agua de lo que se pensaba.
La idea del agua comprimida es ajena a nuestra experiencia cotidiana.
No obstante, es esencial una estimación precisa del volumen comprimido de agua bajo las enormes presiones gravitatorias de los planetas grandes para los astrofísicos que tratan de modelar la evolución del universo.
Necesitan suponer cuánto espacio es usado por el agua atrapada bajo altas densidades y presiones en el interior de un planeta para poder calcular cuánto elementos adicionales se necesitan para dar cuerpo a la imagen astronómica del planeta.
En un desafío a los actuales modelos astrofísicos, los investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad de Rostock en Alemania han encontrado que las actuales calibraciones del interior de los planetas exageran la compresibilidad del agua en hasta un 30 por ciento.
Se informa del trabajo en el artículo “Probing the Interior of the Ice Giants”
en el ejemplar del 27 de febrero de la revista Physical Review Letters.
“Nuestros resultados cuestionan la comprensión de la ciencia sobre la estructura interna de estos planetas”, dice el autor principal de Sandia Marcus Knudson, “y requeriría, básicamente, volver a repasar todo el modelado de los gigantes de hielo dentro y fuera de nuestro Sistema Solar”.
Para llegar a la composición de los conocidos como gigantes de hielo, Neptuno y Urano, así como cualquiera de los exoplanetas gigantes de hielo que se están descubriendo en otros sistemas estelares lejanos, los astrofísicos empiezan con la órbita, edad, radio y masa de cada planeta.
Luego, usando ecuaciones que describen el comportamiento de los elementos conforme se enfría el planeta en formación, calculan qué elementos ligeros y pesados podrían haber contribuido a su evolución para llegar al actual objeto celeste.
Pero si las estimaciones del volumen de agua son muy inexactas, también lo es todo lo demás.
Las medidas – 10 veces más precisas que ninguna anterior – en el acelerador Z de Sandia, concuerdan con los resultados procedentes del trabajo de una moderna simulación que usa la ecuación de onda de Schrödinger de la mecánica cuántica – la ecuación fundamental de la mecánica de ondas – para predecir el comportamiento del agua bajo extremas presiones y densidades.
El modelo, desarrollado a través de la Universidad de Rostock y la colaboración Sandia, se conoce como “First Principles Modeling (Modelado
de Principios Básicos)” debido a que no contiene parámetros ajustables.
“Resuelves la ecuación de Schrödinger desde una perspectiva mecánico cuántica con el hidrógeno y el oxígeno como parámetros de entrada; no hay más parámetros para ajustar el resultado que deseas o esperas”, señala Knudson.
Los resultados del modelo son bastante distintos de las anteriores descripciones químicas del comportamiento del agua bajo presión, pero están bastante de acuerdo con los resultados de las pruebas en la máquina Z, dice Knudson.
Estos resultados se lograron usando los campos magnéticos de Z para disparar minúsculas placas a 40 veces la velocidad de una bala de rifle hacia una diana de agua de a apenas unos milímetros de distancia.
El impacto de cada placa en la diana creaba una enorme onda de choque que comprimía el agua a aproximadamente un cuarto de su volumen original, creando momentáneamente condiciones similares a las del interior de los gigantes de hielo.
Observaciones de menos de un nanosegundo captaron el comportamiento del agua bajo las presiones y densidades que tienen lugar en la superficie y núcleo de los gigantes de hielo.
“Aprovechamos los recientes métodos más precisos para medir la velocidad de la onda de choque que se movía a través de la muestra de agua midiendo el desplazamiento Doppler de la luz láser reflejada del frente de choque en movimiento, hasta el 0,1 por ciento de precisión”, apunta Knudson.
El estado de re-choque del agua se determinó también observando su comportamiento cuando la onda de choque se reflejaba en el agua desde una ventana trasera de cuarzo (de características también determinadas) en la diana. Los resultados proporcionaron una prueba directa del Modelo de Principios Básicos junto con una ruta termodinámica que imita la ruta que se seguiría si se pudiese estar en las profundidades de un planeta.
Se realizaron múltiples experimentos, proporcionando una serie de resultados cada vez a mayor presión para crear una ecuación de estado precisa.
Tales ecuaciones vinculan cambios en la presión con cambios en volúmenes y temperaturas.
Z puede crear más presión – hasta 20 megabares – que la encontrada en el núcleo de la Tierra (aproximadamente 3,5 megabares, y millones de veces la presión atmosférica terrestre. Los proyectiles de Z, conocidos como placas volantes, logran velocidades de 12 a 267 kilómetros por segundo. La presión alrededor del centro de Neptuno es de aproximadamente 8 megabares.
También se encontró que el agua, a presiones similares a las de un gigante de hielo generadas en Z, tenía una reflectividad similar a la de un metal débil, aumentando la posibilidad de que fragmentos de agua molecular cargada pudiesen ser capaces de generar un campo magnético.
Esto podría explicar ciertos desconcertantes aspectos alrededor de Neptuno
y Urano.
“Reducir la incertidumbre de la composición de los sistemas planetarios midiendo con precisión la ecuación de estado del agua en condiciones extremas puede ayudarnos a comprender cómo se formaron estos sistemas”, dice Knudson.
Estas técnicas experimentales también se usaron en Z para estudiar materiales de importancia clave en los programas de armas nucleares. Además de producir la mayor cantidad de rayos-X en la Tierra cuando se dispara, las enormes presiones generadas por Z hace que sea útil para los astrofísicos que buscan datos similares a los producidos por agujeros negros y estrellas de neutrones.
Kanija
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