En un experimento diseñado para imitar las condiciones profundas dentro de los planetas gigantes helados del Sistema Solar, los científicos han sido capaces de observar la ‘lluvia de diamantes’ por primera vez, formada en condiciones de alta presión. La presión extremadamente alta comprime el hidrógeno y el carbono que se encuentran en el interior de estos planetas para formar diamantes sólidos que se hunden lentamente hacia el interior.

Durante mucho tiempo, la hipótesis era que la precipitación brillante surgía a más de 5.000 millas por debajo de la superficie de Urano y Neptuno, y que era creada a partir de mezclas de hidrógeno y carbono. Los interiores de estos planetas son similares –ambos contienen núcleos sólidos rodeados por una densa niebla de hielos diferentes–. Con los planetas helados en el Sistema Solar, «hielo» se refiere a moléculas de hidrógeno conectadas a elementos más ligeros, como carbono, oxígeno y/o nitrógeno.

Así, los investigadores simularon el ambiente que se encuentra dentro de estos planetas creando ondas de choque en plástico con un láser óptico intenso en el instrumento de Materia en Condiciones Extremas (MEC, por sus siglas en inglés).

En el experimento, fueron capaces de ver que casi cada átomo de carbono del plástico original se incorporó en pequeñas estructuras de diamantes de hasta unos pocos nanómetros de ancho. En Urano y Neptuno, los diamantes serían mucho más grandes, según los autores del estudio predicen que, tal vez de millones de quilates de peso. Los investigadores también piensan que es posible que durante miles de años, los diamantes se hunden lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y se ensamblen en una gruesa capa alrededor del núcleo.

«Anteriormente, los investigadores sólo podían suponer que los diamantes se habían formado», afirma Dominik Kraus, científico de Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf y autor principal del estudio, que ha salido publicado en ‘Nature Astronomy’.

Experimentos anteriores que intentaron recrear la ‘lluvia de diamantes’ en condiciones similares no fueron capaces de capturar las mediciones en tiempo real, debido al hecho de que actualmente se pueden crear estas condiciones extremas bajo las cuales los diminutos diamantes se forman sólo por un tiempo muy breve en el laboratorio. Los láseres ópticos de alta energía de MEC, combinados con los pulsos de rayos X de LCLS, que duran sólo unos femtosegundos o cuadrilliones de segundo, permitieron a los científicos medir directamente la reacción química.

Los resultados presentados en este experimento son la primera observación inequívoca de la formación de diamantes de alta presión a partir de mezclas y de acuerdo con las predicciones teóricas sobre las condiciones bajo las cuales tal precipitación puede formar y proporcionará a los científicos mejor información para describir y clasificar otros mundos.

Convertir el plástico en diamante

En el experimento, el plástico simula compuestos formados a partir de metano –una molécula con un solo carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno que causa el distintivo molde azul de Neptuno–. El equipo estudió un material plástico, el poliestireno, que está hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono, componentes clave de la composición química global de estos planetas.

En las capas intermedias de los planetas gigantes helados, el metano forma cadenas de hidrocarburos (hidrógeno y carbono) que fueron formuladas durante largo tiempo para responder a altas presiones y temperaturas en capas más profundas y formar la precipitación espumosa.

Los investigadores utilizaron el láser óptico de alta potencia para crear pares de ondas de choque en el plástico con la combinación correcta de temperatura y presión. El primer choque es más pequeño y más lento y superado por el segundo choque, más fuerte. Cuando las ondas de choque se superponen, ese es el momento en que la mayoría de los diamantes se forman, explica Kraus.

Nanodiamantes en medicina, ciencia y electrónica

Cuando los astrónomos observan estos exoplanetas fuera del Sistema Solar, son capaces de medir dos rasgos primarios –la masa y el radio–. La relación entre los dos se utiliza para clasificar un planeta y ayudar a determinar si puede estar compuesto de elementos más pesados o más ligeros.

«Con los planetas, la relación entre la masa y el radio puede decir a los científicos un poco sobre la química –considera Kraus–. «Y la química que ocurre en el interior puede proporcionar información adicional sobre algunas de las características definitorias del planeta».

La información de estudios como este sobre cómo los elementos se mezclan y se agrupan bajo presión en el interior de un planeta puede cambiar la forma en que los científicos calculan la relación entre masa y radio, permitiendo a los científicos modelar y clasificar mejor los planetas individuales. La caída de la ‘lluvia de diamantes’ también podría ser una fuente adicional de energía, generando calor mientras se hunde hacia el núcleo.

«No podemos entrar en los planetas y verlos, así que estos experimentos de laboratorio complementan las observaciones de los satélites y telescopios», señala Kraus. Los investigadores también planean aplicar los mismos métodos para mirar otros procesos que ocurren en los interiores de los planetas.

Además de las ideas que dan a la ciencia planetaria, nanodiamantes hechos en la Tierra podrían ser cosechados potencialmente para fines comerciales –usos que abarcan la medicina, el equipamiento científico y la electrónica–. Actualmente, los nanodiamantes se producen comercialmente a partir de explosivos, con lo que la producción por láser podría ofrecer un método más limpio y más fácilmente controlado.

La investigación también ayuda a los científicos a entender y mejorar los experimentos de fusión donde las formas de hidrógeno se combinan para formar helio para generar grandes cantidades de energía. Este es el proceso que alimenta al Sol y otras estrellas, pero aún no se ha realizado de manera controlada para las plantas de energía en la Tierra.

En algunos experimentos de fusión, un combustible de dos formas diferentes de hidrógeno está rodeado por una capa de plástico que alcanza condiciones similares al interior de los planetas durante una fase de compresión de corta duración. El experimento en plástico ahora sugiere que la química puede desempeñar un papel importante en esta etapa.

«Las simulaciones no captan realmente lo que estamos observando en este campo –concluye Glenzer–. Nuestro estudio y otros proporcionan evidencia de que el aglutinamiento de la materia en estos tipos de condiciones de alta presión es una fuerza a tener en cuenta».

Fuente: Europa Press