Um novo método teórico abre caminho para modelar o interior dos gigantes de gelo Urano e Netuno, graças a simulações de computador na água contida neles. A ferramenta, desenvolvido por cientistas da SISSA em Trieste e da Universidade da Califórnia em Los Angeles e publicado recentemente em Nature Communications , permite analisar processos térmicos e elétricos que ocorrem em condições físicas que muitas vezes são impossíveis de reproduzir experimentalmente, com uma abordagem muito mais fácil e de baixo custo.

Nesta pesquisa, os estudiosos analisaram a condução de eletricidade e calor da água em condições extremas de temperatura e pressão, como aqueles que ocorrem dentro de planetas gigantes de gelo, bem como em muitos exoplanetas fora deles. Investigar os fenômenos que ocorrem sob sua superfície, na verdade, é a chave para entender a evolução desses corpos celestes, para estabelecer sua idade, e para lançar luz sobre a geometria e evolução de seus campos magnéticos.

Escalas microscópicas para contar histórias de bilhões de anos

"Hidrogênio e oxigênio são os elementos mais comuns no Universo, junto com o hélio. É fácil deduzir que a água é um dos principais constituintes de muitos corpos celestes. Ganimedes e Europa, satélites de Júpiter, e Enceladus, satélite de Saturno, apresentam superfícies geladas sob as quais se encontram oceanos de água. Netuno e Urano também são provavelmente compostos principalmente de água, "Federico Grasselli e Stefano Baroni, primeiro e último autor, explique.

"Nosso conhecimento dos interiores planetários, "dizem os estudiosos, "é baseado nas características da superfície do planeta e no campo magnético, que são influenciados pelas características físicas de sua estrutura interna, como o transporte de energia, massa e carga através das camadas intermediárias internas. É por isso que desenvolvemos um método teórico e computacional para calcular a condutividade térmica e elétrica da água, nas fases e condições que ocorrem em tais corpos celestes, começando com simulações de ponta na dinâmica microscópica de algumas centenas de átomos e incorporando a natureza quântica dos elétrons sem qualquer aproximação ad-hoc adicional. Simulando a escala atômica para frações de nanossegundos, somos capazes de entender o que aconteceu a enormes massas em escalas de tempo de bilhões de anos. "

Gelo, líquido ou superiônico:uma água totalmente diferente

Os estudiosos analisaram três fases diferentes da água:gelo, líquido, e superionico, sob as condições extremas de temperatura e pressão típicas das camadas internas desses planetas. Grasselli e Baroni explicam:"Em tais condições físicas exóticas, não podemos pensar no gelo como estamos acostumados. Até a água é diferente, mais denso, com várias moléculas dissociadas em íons positivos e negativos, carregando assim uma carga elétrica. A água superiônica fica em algum lugar entre as fases líquida e sólida:os átomos de oxigênio do H ₂ A molécula O é organizada em uma rede cristalina, enquanto os átomos de hidrogênio se difundem livremente como em um fluido carregado. ”O estudo das correntes térmicas e elétricas geradas pela água nessas três formas diferentes é essencial para lançar luz sobre muitas questões não resolvidas.

Transporte de calor e eletricidade para entender o passado e o presente

Os dois cientistas também afirmam que "as correntes elétricas internas estão na base do campo magnético do planeta. Se entendermos como as primeiras fluem, podemos aprender muito mais sobre o último. "E não só isso." Os coeficientes de transporte térmico e elétrico ditam a história do planeta, como e quando foi formado, como esfriou. Portanto, é crucial analisá-los com as ferramentas adequadas, como aquele que desenvolvemos. Em particular, as propriedades de condução de calor que emergem de nosso estudo nos permitem hipotetizar que a existência de um núcleo congelado pode explicar a luminosidade anormalmente baixa de Urano devido a um fluxo de calor extremamente baixo de seu interior para a superfície. "

Além disso, a condutividade elétrica encontrada para a fase superiônica é muito maior do que assumida em modelos anteriores de geração de campo magnético em Urano e Netuno. Uma vez que se pensa que a água superiônica domina as camadas planetárias densas e lentas abaixo da região do fluido convectivo onde seu campo magnético é gerado, esta nova evidência pode ter um grande impacto no estudo da geometria e evolução dos campos magnéticos dos dois planetas.