Uma bigorna de diamante (canto superior direito) e laser foram usados no laboratório em uma amostra de olivina para atingir as condições de pressão-temperatura esperadas no topo da camada de água abaixo da atmosfera de hidrogênio de Urano (esquerda). Neste experimento, o magnésio na olivina dissolvido na água. Crédito:Shim / ASU
Embora os cientistas tenham acumulado um conhecimento considerável dos planetas rochosos em nosso sistema solar, como a Terra e Marte, muito menos se sabe sobre os planetas ricos em água gelada, Netuno e Urano.
Em um novo estudo publicado recentemente em Astronomia da Natureza , uma equipe de cientistas recriou a temperatura e a pressão do interior de Netuno e Urano no laboratório, e, ao fazê-lo, obtiveram uma compreensão maior da química das camadas de águas profundas desses planetas. Suas descobertas também fornecem pistas sobre a composição dos oceanos em exoplanetas ricos em água fora de nosso sistema solar.
Acredita-se que Netuno e Urano tenham camadas separadas distintas, consistindo em uma atmosfera, gelo ou fluido, um manto rochoso e um núcleo metálico. Para este estudo, a equipe de pesquisa estava particularmente interessada na possível reação entre água e rocha em interiores profundos.
"Através deste estudo, estávamos procurando estender nosso conhecimento do interior profundo de gigantes de gelo e determinar quais interações água-rocha em condições extremas podem existir, "diz o autor principal Taehyun Kim, da Universidade Yonsei na Coreia do Sul. "Gigantes de gelo e alguns exoplanetas têm camadas de água muito profundas, ao contrário dos planetas terrestres. Propusemos a possibilidade de uma mistura em escala atômica de dois dos materiais de construção do planeta (água e rocha) no interior de gigantes de gelo. "
Para imitar as condições das camadas de águas profundas em Netuno e Urano no laboratório, a equipe primeiro imergiu minerais formadores de rocha típicos, olivina e ferropericlase, em água e comprimiu a amostra em uma bigorna de diamante a pressões muito altas. Então, para monitorar a reação entre os minerais e a água, eles fizeram medições de raios-X enquanto um laser aquecia a amostra a uma alta temperatura.
A reação química resultante levou a altas concentrações de magnésio na água. Com base nessas descobertas, a equipe concluiu que os oceanos em planetas ricos em água podem não ter as mesmas propriedades químicas que os oceanos da Terra e a alta pressão tornaria esses oceanos ricos em magnésio.
"Descobrimos que o magnésio se torna muito mais solúvel em água em altas pressões. Na verdade, o magnésio pode se tornar tão solúvel nas camadas de água de Urano e Netuno quanto o sal no oceano da Terra, "diz o co-autor do estudo Sang-Heon Dan Shim, da Escola de Exploração da Terra e do Espaço da Arizona State University.
Uma imagem de microscopia eletrônica da amostra de olivina mostra uma grande estrutura de cúpula vazia onde o magnésio sob água de alta pressão precipitou como óxido de magnésio. Crédito:Kim et al.
Essas características também podem ajudar a resolver o mistério de por que a atmosfera de Urano é muito mais fria do que a de Netuno, mesmo que ambos sejam planetas ricos em água. Se muito mais magnésio existe na camada de água de Urano abaixo da atmosfera, poderia impedir que o calor escapasse do interior para a atmosfera.
“Esta água rica em magnésio pode atuar como uma manta térmica para o interior do planeta, "diz Shim.
Além do nosso sistema solar, esses experimentos de alta pressão e alta temperatura também podem ajudar os cientistas a obter uma maior compreensão dos exoplanetas sub-Netuno, que são planetas fora do nosso sistema solar com um raio menor ou uma massa menor do que Netuno.
Os planetas sub-Netuno são o tipo mais comum de exoplanetas que conhecemos até agora, e os cientistas que estudam esses planetas levantam a hipótese de que muitos deles podem ter uma camada espessa rica em água com um interior rochoso. Este novo estudo sugere que os oceanos profundos desses exoplanetas seriam muito diferentes dos oceanos da Terra e podem ser ricos em magnésio.
"Se um processo dinâmico inicial permitisse uma reação rocha-água nesses exoplanetas, a camada superior de água pode ser rica em magnésio, possivelmente afetando a história térmica do planeta, "diz Shim.
Para as próximas etapas, a equipe espera continuar seus experimentos de alta pressão / alta temperatura sob diversas condições para aprender mais sobre a composição dos planetas.
"Este experimento nos forneceu um plano para uma maior exploração dos fenômenos desconhecidos em gigantes de gelo, "diz Kim.
