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Un nuevo procedimiento mediante láser ha permitido conocer las propiedades de la stishovita a altas presiones, similares a las del interior de los planetas gigantes. Imagen: E. Kowaluk. Fuente: LLE.
Nuevos experimentos de compresión realizados con láser han conseguido reproducir las condiciones de lo más profundo de las exóticas supertierras y los núcleos de los planetas gigantes, así como las condiciones durante el violento nacimiento de planetas similares a la Tierra, documentando las propiedades de los materiales que determinaron la formación de los planetas y sus procesos evolutivos.
Los experimentos, publicados hoy en Science, revelan las propiedades inusuales de la sílice -el componente clave de las rocas- bajo las presiones y temperaturas extremas que se producen durante la formación de los planetas y su evolución interior.
Utilizando diagnósticos de compresión por ondas de choque, ultrarrápidos e impulsados por láser, el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL, por sus siglas en inglés) Marius Millot y sus colegas de la Universidad de Bayreuth (Alemania), del propio LLNL y de la Universidad de California en Berkeley, han sido capaces de medir la temperatura de fusión de la sílice a 500 GPa (5.000.000 de atmósferas), una presión comparable a la presión del límite entre el núcleo y el manto de un planeta supertierra (con una masa equivalente a cinco terrestres), Urano y Neptuno. Es también la que se produce durante los impactos gigantes que caracterizan la etapa final de la formación de planetas.
"La extrema densidad, presión y temperatura de las profundidades del interior de los planetas modifican fuertemente las propiedades de los materiales que los constituyen", explica Millot en la nota de prensa del LNLL. "¿Cuánto calor pueden aguantar los sólidos antes de fundirse bajo presión es la clave para determinar la estructura y la evolución interna de un planeta, y ahora podemos medirlo directamente en el laboratorio."
Los experimentos, publicados hoy en Science, revelan las propiedades inusuales de la sílice -el componente clave de las rocas- bajo las presiones y temperaturas extremas que se producen durante la formación de los planetas y su evolución interior.
Utilizando diagnósticos de compresión por ondas de choque, ultrarrápidos e impulsados por láser, el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL, por sus siglas en inglés) Marius Millot y sus colegas de la Universidad de Bayreuth (Alemania), del propio LLNL y de la Universidad de California en Berkeley, han sido capaces de medir la temperatura de fusión de la sílice a 500 GPa (5.000.000 de atmósferas), una presión comparable a la presión del límite entre el núcleo y el manto de un planeta supertierra (con una masa equivalente a cinco terrestres), Urano y Neptuno. Es también la que se produce durante los impactos gigantes que caracterizan la etapa final de la formación de planetas.
"La extrema densidad, presión y temperatura de las profundidades del interior de los planetas modifican fuertemente las propiedades de los materiales que los constituyen", explica Millot en la nota de prensa del LNLL. "¿Cuánto calor pueden aguantar los sólidos antes de fundirse bajo presión es la clave para determinar la estructura y la evolución interna de un planeta, y ahora podemos medirlo directamente en el laboratorio."
Resultados
En combinación con anteriores mediciones de fusión de otros óxidos y de hierro, los nuevos datos indican que los silicatos del manto y el metal del núcleo tienen temperaturas de fusión comparables por encima de 300-500 GPa, lo que sugiere que los grandes planetas rocosos pueden en general tener longevos océanos de magma -roca fundida- en sus profundidades. Los campos magnéticos planetarios pueden formarse en esta capa de roca líquida.
"Además, nuestra investigación sugiere que la sílice está probablemente en estado sólido en el interior de los núcleos de Neptuno, Urano, Saturno y Júpiter, lo cual establece nuevas restricciones sobre futuros modelos mejorados de la estructura y la evolución de estos planetas", añade Millot.
Estos descubrimientos han sido posibles gracias a un importante avance en las técnicas de crecimiento de cristales a alta presión, en la Universidad de Bayreuth. Allí, 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 producidos por impacto de meteoritos.
Esos cristales han permitido a Millot y sus colegas llevar a cabo el primer estudio de compresión de stishovita por ondas de choque de láser guiado, usando pirometría óptica ultrarrápida y velocimetría, en la Universidad de Rochester (Nueva York).
Un campo emocionante
"La stishovita, pese a ser mucho más densa que el cuarzo o la sílice fundida, se mantiene más fría bajo compresión de choque, y eso nos permitió medir la temperatura de fusión a una presión mucho mayor", explica Millot.
"La compresión dinámica de materiales importantes para los planetas es un campo muy emocionante en este momento. El hidrógeno del interior profundo de los planetas es un fluido metálico, el helio cae en forma de lluvia, el fluido de sílice es un metal y el agua puede ser superiónico".
De hecho, el reciente descubrimiento de más de 1.000 exoplanetas orbitando otras estrellas en nuestra galaxia revela la amplia diversidad de sistemas planetarios, y de tamaños y de propiedades de los planetas. También abre la puerta a la búsqueda de mundos habitables con vida extraterrestre, y proyecta una nueva luz sobre nuestro propio sistema solar.
Usando la capacidad de reproducir en el laboratorio las condiciones extremas del interior de los planetas gigantes, así como del proceso de 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 del origen de la vida.
En combinación con anteriores mediciones de fusión de otros óxidos y de hierro, los nuevos datos indican que los silicatos del manto y el metal del núcleo tienen temperaturas de fusión comparables por encima de 300-500 GPa, lo que sugiere que los grandes planetas rocosos pueden en general tener longevos océanos de magma -roca fundida- en sus profundidades. Los campos magnéticos planetarios pueden formarse en esta capa de roca líquida.
"Además, nuestra investigación sugiere que la sílice está probablemente en estado sólido en el interior de los núcleos de Neptuno, Urano, Saturno y Júpiter, lo cual establece nuevas restricciones sobre futuros modelos mejorados de la estructura y la evolución de estos planetas", añade Millot.
Estos descubrimientos han sido posibles gracias a un importante avance en las técnicas de crecimiento de cristales a alta presión, en la Universidad de Bayreuth. Allí, 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 producidos por impacto de meteoritos.
Esos cristales han permitido a Millot y sus colegas llevar a cabo el primer estudio de compresión de stishovita por ondas de choque de láser guiado, usando pirometría óptica ultrarrápida y velocimetría, en la Universidad de Rochester (Nueva York).
Un campo emocionante
"La stishovita, pese a ser mucho más densa que el cuarzo o la sílice fundida, se mantiene más fría bajo compresión de choque, y eso nos permitió medir la temperatura de fusión a una presión mucho mayor", explica Millot.
"La compresión dinámica de materiales importantes para los planetas es un campo muy emocionante en este momento. El hidrógeno del interior profundo de los planetas es un fluido metálico, el helio cae en forma de lluvia, el fluido de sílice es un metal y el agua puede ser superiónico".
De hecho, el reciente descubrimiento de más de 1.000 exoplanetas orbitando otras estrellas en nuestra galaxia revela la amplia diversidad de sistemas planetarios, y de tamaños y de propiedades de los planetas. También abre la puerta a la búsqueda de mundos habitables con vida extraterrestre, y proyecta una nueva luz sobre nuestro propio sistema solar.
Usando la capacidad de reproducir en el laboratorio las condiciones extremas del interior de los planetas gigantes, así como del proceso de 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 del origen de la vida.
Referencia bibliográfica:
M. Millot, N. Dubrovinskaia, A. ernok, S. Blaha, L. Dubrovinsky, D. G. Braun, P. M. Celliers, G. W. Collins, J. H. Eggert, R. Jeanloz. Shock compression of stishovite and melting of silica at planetary interior conditions. Science (2015). DOI: 10.1126/science.1261507
M. Millot, N. Dubrovinskaia, A. ernok, S. Blaha, L. Dubrovinsky, D. G. Braun, P. M. Celliers, G. W. Collins, J. H. Eggert, R. Jeanloz. Shock compression of stishovite and melting of silica at planetary interior conditions. Science (2015). DOI: 10.1126/science.1261507
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