Bajo presión, el hidrógeno ofrece un reflejo de los interiores de planetas gigantes

A dynamic storm at the southern edge of Jupiter’s northern polar region dominates this Jovian cloudscape, courtesy of NASA’s Juno spacecraft. Image credits: NASA/JPL Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran

Júpiter, Saturno y muchos planetas extrasolares son dominados por densos remolinos de hidrógeno metálico en sus interiores. La construcción de modelos precisos de estos planetas gigantes requiere una descripción precisa de la transición del hidrógeno presurizado a esta sustancia metálica, un desafío científico desde hace mucho. 

La mímica basada en laboratorio permitió a un equipo internacional de físicos, incluido Alexander Goncharov de Carnegie, sondear el hidrógeno bajo las condiciones que se encuentran en los interiores de planetas gigantes, donde los expertos creen que se aprieta hasta que se convierte en un metal líquido capaz de conducir electricidad. Su trabajo se publica en Science. 

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y el más simple, compuesto por un solo protón y un electrón en cada átomo. Pero esa simplicidad es engañosa, porque aún hay mucho que aprender sobre ello, incluido su comportamiento en condiciones que no se encuentran en la Tierra. 

Una tormenta dinámica en el extremo sur de la región polar del norte de Júpiter domina este paisaje celeste joviano, cortesía de la nave espacial Juno de la NASA. Créditos de la imagen: NASA / JPL Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstädt / Seán Doran

Por ejemplo, aunque el hidrógeno en la superficie de los planetas gigantes, como el Júpiter y Saturno de nuestro Sistema Solar, es un gas, como lo es en nuestro propio planeta, en el interior de estos gigantes planetarios, los científicos creen que se convierte en un líquido metálico. 

"Esta transformación ha sido foco de atención desde hace mucho tiempo en la física y la ciencia planetaria", dijo el autor principal Peter Celliers del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. 

El equipo de investigación - que también incluía científicos de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia, la Universidad de Edimburgo, la Universidad de Rochester, la Universidad de California Berkeley y la Universidad George Washington - se centró en esta transición gas-metal-líquido en el isótopo molecular de hidrógeno más pesado el deuterio. (Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero una cantidad diferente de neutrones). 

Estudiaron cómo la capacidad del deuterio para absorber o reflejar la luz cambiaba hasta casi seis millones de veces la presión atmosférica normal (600 gigapascales) y a temperaturas inferiores a los 1.700 grados centígrados (unos 3.140 grados Fahrenheit). La reflectividad puede indicar que un material es metálico. 

El instrumento VISAR es un diagnóstico óptico ultrarrápido que utiliza un láser pulsado e interferometría para medir la velocidad de las ondas de choque y caracterizar las propiedades ópticas del hidrógeno fluido durante el proceso de transición del aislador al metal. Gene Frieders, ingeniero de sistemas responsable de VISAR, aparece aquí. Crédito: Jason Laurea / LLNL

Descubrieron que, bajo alrededor de 1,5 millones de veces la presión atmosférica normal (150 gigapascales), el deuterio pasaba de transparente a opaco, absorbiendo la luz en lugar de dejarla pasar. Pero una transición hacia la reflectividad similar a la del metal comenzó a casi 2 millones de veces la presión atmosférica normal (200 gigapascales). 

"Para construir mejores modelos de arquitectura exoplanetaria potencial, esta transición entre el gas y el hidrógeno líquido metálico debe ser demostrada y comprendida", explicó Goncharov. "Por eso nos centramos en identificar el inicio de la reflectividad en el deuterio comprimido, acercándonos a una visión completa de este importante proceso". 

El equipo de investigación incluyó a: Marius Millot, Dayne Fratanduono, Jon Eggert, J. Luc Peterson, Nathan Meezan y Sebastien Le Pape de los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore; Stephanie Brygoo y Paul Loubeyre de la División de Aplicaciones Militares de la Comisión de Energía Alternativa y Energía Alternativa de Francia; R. Stewart McWilliams de la Universidad de Edimburgo; J. Ryan Rygg y Gilbert Collins de la Universidad de Rochester (ambos también de LLNL); Raymond Jeanloz de la Universidad de California Berkeley; y Russell Hemley de la Universidad George Washington. 

Fuentes: Carnegie Institution for Science, scitechdaily