Recrean en un laboratorio la formación de súper Tierras y planetas gigantes

Nuevos experimentos de láser impulsado por compresión reproducen las condiciones en el interior de exóticas súper Tierras y núcleos de planetas gigantes y las condiciones durante el violento nacimiento de planetas similares a la Tierra, documentando las propiedades de los materiales que determinaron los procesos de formación y evolución de los planetas.

Los experimentos, publicados en la edición de este viernes de ‘Science’, revelan las propiedades inusuales del sílice, el componente clave de la roca, bajo extremas presiones y temperaturas importantes para la formación planetaria y la evolución interior.

Mediante el uso de láser impulstado por compresión y diagnósiticos ultrarrápidos, el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) Marius Millot y sus colegas de la Universidad de Bayreuth (Alemania) y la Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos, lograron medir la temperatura de fusión del sílice a 500 GPa (5 millones de atmósferas), una presión comparable a la presión límite entre el núcleo y el manto de un planeta súper-Tierra (5 masas terrestres), como Urano y Neptuno. Es también el régimen de impactos gigantes que caracterizan la etapa final de la formación de planetas.

«El interior profundo de los planetas, la extrema densidad, la presión y la temperatura modifican fuertemente las propiedades de los materiales constituyentes», señala Millot. «La clave para determinar la estructura y la evolución interna de un planeta es saber cuántos sólidos calientes pueden mantenerse antes de fundirse bajo la presión y ahora podemos medirlo directamente en el laboratorio», celebra.

En combinación con las mediciones de fusión anteriores sobre otros óxidos y de hierro, los nuevos datos indican que los silicatos del manto y el núcleo de metal tienen temperaturas de fusión comparables por encima de 300-500 GPa, lo que sugiere que grandes planetas rocosos pueden comúnmente poseer desde hace muchos años profundos océanos de magma, roca fundida. Los campos magnéticos planetarios pueden formarse en esta capa de roca líquida.

«Además, nuestra investigación sugiere que el sílice está probablemente en estado sólido en el interior de los núcleos de Neptuno, Urano, Saturno y Júpiter, lo que establece nuevas restricciones en los futuros modelos mejorados para la estructura y evolución de estos planetas», señala Millot.

Esos avances fueron posibles por un gran paso en las técnicas de crecimiento cristalino de alta presión en la Universidad de Bayreuth, en Alemania, donde Natalia Dubrovinskaia y sus colegas lograron sintetizar policristales transparentes milimétricos y monocristales de stishovita, una forma de sílice de alta densidad (SiO2) que normalmente se encuentra sólo en cantidades muy pequeñas cerca de los cráteres formados por el impacto de meteoritos.

Esos cristales permitieron a Millot y sus colegas realizar este estudio de láser de compresión en stishovita usando pirometría óptica ultrarrápida y velocimetría en el Centro Omega Láser del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester.

«Stishovita, mucho más densa que el cuarzo o el sílice fundido, se mantiene más fría bajo compresión, lo que nos permitió medir la temperatura de fusión a una presión mucho mayor», detalla Millot. De hecho, el reciente descubrimiento de más de 1.000 exoplanetas orbitando otras estrellas en nuestra galaxia revela la amplia diversidad de sistemas planetarios, tamaños y propiedades de los planetas y establece la búsqueda de mundos habitables de contengan vida extraterrestre.

Usando la capacidad de reproducir en el laboratorio las condiciones extremas del interior de los planetas gigantes, así como durante la formación planetaria, Millot y sus colegas planean estudiar el comportamiento exótico de los principales componentes planetarios utilizando la compresión dinámica para contribuir a una mejor comprensión de la formación de la Tierra y el origen de la vida.