Júpiter y Saturno llenos de metal de helio líquido

Un extraño brebaje yace en las profundidades del interior de Júpiter y Saturno, de acuerdo a un nuevo estudio de los investigadores de la Universidad de California en Berkeley y en Londres.

El estudio, publicado en la edición online de esta semana de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, demuestra que el helio metálico es menos extraño de lo que se pensaba previamente y se produce bajo los tipos de condiciones presentes en el centro de los planetas gaseosos gigantes mezclándolo con hidrógeno y formando una aleación de metal líquido.

Los resultados de investigadores de la UC Berkeley y Londres sugieren que los planetas gaseosos gigantes tales como Júpiter, mostrados aquí en un mosaico construido a partir de imágenes de la nave Cassini, están llenos de una aleación de metal líquido de helio e hidrógeno. (NASA/JPL/Space Science Institute photo)

Fuente | Ciencia kanija

“Este es un gran avance en términos de comprensión de materiales, y es importante debido a que para comprender la evolución a largo plazo de los planetas, tenemos que saber más sobre sus propiedades internas”, dijo Raymond Jeanloz, profesor de astronomía y de ciencias planetarias y de la tierra en la UC Berkeley y uno de los autores del estudio. “El hallazgo también es interesante desde el punto de vista de comprender por qué los materiales está en la forma que están, y qué determina su estabilidad y propiedades físicas y químicas”.

Jeanloz estudia presiones decenas de millones de veces mayor que la presión atmosférica terrestre – el tipo de fuerzas que se sienten en el interior de Saturno y Júpiter, conocidos como “gigantes gaseosos” que carecen de una superficie sólida. El núcleo de la Tierra, que es más pequeño y denso comparado con los con los núcleos de estos gigantes de gas, contiene presiones de aproximadamente 3,5 millones de veces la presión atmosférica. Las presiones en el núcleo de Júpiter, por ejemplo, alcanzan los 70 millones de atmósferas terrestres, debido al masivo tamaño del planeta compensando su baja densidad. Los núcleos de Júpiter y Saturno están a unos 10 000 - 20 000 grados Celsius, de dos a cuatro veces más temperatura que la superficie del Sol.

En este estudio, Jeanloz y Lars Stixrude, profesor de ciencias de la tierra en el University College de Londres, echó un vistazo más de cerca de lo que sucede con el helio en unas condiciones tan extremas.

La mayoría de estudios de materiales en los planetas gaseosos se han centrado en el hidrógeno, dijo Jeanloz, debido a que es el elemento predominante tanto en estos planetas como en el universo. Pero incluso aunque el hidrógeno es el elemento más ligero, su comportamiento es mucho más complicado debido a su tendencia a formar moléculas de átomos de hidrógeno ligados, dijo Jeanloz. Jeanloz y Stixrude querían estudiar un elemento más simple, para comprender con mayor facilidad los efectos de las presiones y temperaturas extremas.

Por lo que seleccionaron el helio, el segundo elemento más abundante, el cual comprende entre un 5 y 10 por ciento del universo. Usaron teorías basadas en la mecánica cuántica para calcular el comportamiento del helio bajo diferentes presiones y temperaturas. Aunque estas ecuaciones son sólo aproximaciones, dijo Stixrude, las predicciones de los investigadores encajaron muy bien con los resultados experimentales para presiones más bajas.

Bajo ciertas condiciones en la Tierra, el helio es incoloro, visto a través de un gas aislante eléctricamente. Pero bajo los tipos de presión y temperatura encontrados en el centro de Júpiter y Saturno, los investigadores encontraron que el helio se tornaba en un metal líquido, como el mercurio.

“Puedes imaginar este líquido como el mercurio, sólo que menos reflectante”, dijo Jeanloz.

Los hallazgos fueron una sorpresa, dado que los científicos habían supuesto que las altas presiones y temperaturas haría más difícil la metalización de estos elementos como el helio, no más fácil, dijo Jeanloz. Él y sus colegas habían encontrado previamente que el helio comienza a tener algunas cualidades similares al metal en experimentos a presiones extremadamente altas, pero no han podido experimentar con helio bajo condiciones tales como las que se encuentran en el interior de los planetas gigantes.

Una característica clave de un metal es cu capacidad para conducir la electricidad, lo que significa que los electrones puede fluir a través del mismo como el agua fluye a través del cauce de un río.

“Las altas temperaturas hacen que los átomos se sacuda, por esto la gente piensa que el calor desviaría los electrones, como si se colocasen suficientes rocas en un río para controlar el flujo del agua”, dijo Jeanloz. “La dispersión causada por los átomos se pensaba que haría más difícil que los electrones fluyesen”.

Pero resultó que los empujones de los átomos también crean nuevos caminos para que se muevan los electrones, casi como su se hubiesen abierto nuevos grietas en el terreno para que fluyese el río, dijo Jeanloz.

Los científicos descubrieron recientemente que el hidrógeno se metaliza bajo temperaturas y presiones menores de las apreciadas anteriormente. El dogma en el campo era que las características del hidrógeno y el helio eran lo bastante diferentes como para que no se mezclasen dentro de los planetas gaseosos gigantes, dijo Jeanloz. Los hallazgos de los investigadores, no obstante, indican que los dos elementos probablemente se mezclan, formando una aleación de metal similar al latón, pero líquido.

Este hallazgo también habla de uno de los muchos misterios de estos grandes planetas, dijo Stixrude. Se emite más energía desde Júpiter y Saturno de la que absorben del Sol, y los científicos no comprenden de dónde viene. Una de las teorías predominantes es que las gotas de helio condensado en la atmósfera exterior de los planetas cae hacia el centro como “lluvia de helio”, liberando energía gravitatoria. Pero los hallazgos de Jeanloz y Stixrude demuestran que el helio y el hidrógeno probablemente son una mezcla más homogénea de lo que sospecharon anteriormente, lo que significa que es improbable una lluvia de helio.

“Ahora, tenemos que buscar de dónde procede esta fuente de energía”, dijo Stixrude.