A temperatura e a pressão dentro de Júpiter variam de cerca de -100 ° C perto da borda a cerca de 15, 000 ° C e 50m vezes a pressão atmosférica da Terra no meio. Saturno, Urano e Netuno são panelas de pressão semelhantes. À medida que descemos em Júpiter, podemos ver matéria no estado do gás, no estado líquido e em outro, estado menos conhecido, chamado de estado de "fluido supercrítico".

Compreender os fluidos supercríticos não é importante apenas para os cientistas planetários, também é utilizado em processos industriais, como geração de energia e processamento de alimentos.

Quando fervermos água na Terra, ele muda a "fase" passando do estado líquido para o estado gasoso. Isso se deve a uma mudança dramática repentina na densidade e outras propriedades chamadas de "transição de fase". Contudo, se você espremesse a água para 1, 000 vezes a pressão atmosférica e, em seguida, aquecido enquanto mantém a pressão, você não observaria mais a fervura como tal. As moléculas de água girariam com mais energia, e a densidade diminuiria gradualmente, mas não haveria fervura repentina (transição de fase). Isso é o que constitui o estado de fluido supercrítico - não é um líquido nem um gás.

Exatamente como os líquidos e os fluidos supercríticos se comportam tem feito os cientistas coçarem a cabeça por décadas. Mas novas pesquisas lançaram luz sobre este problema, aumentando as esperanças de que em breve possamos obter uma compreensão muito melhor do que se passa nas profundezas dos gigantescos planetas gasosos.

Os cientistas há muito presumem que líquidos e fluidos supercríticos se comportam como gases densos, com moléculas movendo-se constantemente livremente. Mas na década de 1930, o físico russo Yakov Ilyich Frenkel questionou essa suposição, propondo que, sob certas condições, eles se comportariam como sólidos (onde os átomos estão presos), exceto que os átomos ocasionalmente saltam de um lugar para outro. Podemos chamar líquidos e fluidos supercríticos nessas condições de "líquidos densos".

Ignorado por décadas, esta abordagem ganhou uma segunda vida na última década, pois foi usada com sucesso para prever a capacidade térmica de líquidos. A capacidade de calor é uma propriedade crucial dos líquidos, determinar a maneira como o calor é armazenado e flui ao redor dos planetas, centrais elétricas e tudo mais.

Uma linha divisória (a "linha de Frenkel") deve, portanto, ser desenhada, até pressões e temperaturas arbitrariamente altas, entre as condições em que líquidos densos se comportam de forma semelhante aos gases, e condições em que a abordagem de Frenkel - assumindo um comportamento semelhante aos sólidos - é válida. Mas como a linha deve ser definida? Quão repentino é isso? Essas questões precisam ser tratadas por meio de experimentos.

Experimentos poderosos

Este ano, dois estudos inovadores foram publicados nos quais esta linha foi mapeada a partir de observações. No primeiro estudo, uma das fontes de luz síncrotron mais potentes do mundo (a Advanced Photon Source perto de Chicago) foi usada para determinar a pressão - 6, 500 vezes a atmosfera da Terra - em que um dos fluidos mais fundamentais do modelo, néon supercrítico, começa a se comportar como um líquido denso, conforme modelado por Frenkel.

No segundo estudo, dados de outra poderosa fonte de raios-X (a European Synchrotron Radiation Facility em Grenoble) foram combinados com medições em meu laboratório em Manchester para determinar a maneira como os átomos nas moléculas de metano vibram para fazer uma observação semelhante. Descobrimos que o metano começa a se comportar como um líquido denso por volta de 2, Pressão de 000 atmosferas.

Descobrimos que uma peça-chave de evidência no quebra-cabeça já estava lá na literatura, datando de 1986; uma demonstração de que as vibrações no metano gasoso se comportam de maneira completamente oposta às vibrações que estamos acostumados a ver em sólidos e líquidos densos. Sua importância simplesmente não havia sido reconhecida.

Nosso estudo teve um bônus adicional em comparação com o estudo do néon - o metano está em todo o nosso sistema solar. Os gigantes gasosos Urano e Netuno estão cheios disso, e talvez a compreensão do metano responda a muitos dos mistérios que esses planetas representam. Cientistas planetários perderam o sono por décadas por causa de questões como como a composição muda conforme você se aprofunda em Urano e Netuno e se a superfície de Urano é realmente o lugar mais frio do sistema solar.

A esperança agora é aplicar esses novos resultados nos estados líquido e fluido supercrítico da matéria para responder a esses e outros mistérios de longa data.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.