Lluvias de diamantes serían más comunes de lo pensado en el interior de planetas gigantes de hielo

Neptuno, Urano y otros gigantes helados similares tendrían lluvias de diamantes con millones de quilates de peso.

Un corte representando el interior de Neptuno. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.

Un nuevo estudio ha encontrado que la «lluvia de diamantes», un tipo de precipitación exótica hipotética desde hace mucho tiempo en los planetas gigantes de hielo, podría ser más común de lo que se pensaba anteriormente.

En un experimento anterior, los investigadores imitaron las temperaturas y presiones extremas que se encuentran en las profundidades de los gigantes helados Neptuno y Urano y, por primera vez, observaron la lluvia de diamantes mientras se formaba.

Al investigar este proceso en un nuevo material que se parece más a la composición química de Neptuno y Urano, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y sus colegas descubrieron que la presencia de oxígeno hace que la formación de diamantes sea más probable, lo que les permite formarse y crecer en una gama más amplia de condiciones y en más planetas.

El nuevo estudio proporciona una imagen más completa de cómo se forma la lluvia de diamantes en otros planetas y, aquí en la Tierra, podría conducir a una nueva forma de fabricar nanodiamantes, que tienen una amplia gama de aplicaciones en la administración de fármacos, sensores médicos, cirugía no invasiva, fabricación sostenible y electrónica cuántica.

«El documento anterior fue la primera vez que vimos directamente la formación de diamantes a partir de cualquier mezcla», dijo Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía en SLAC. «Desde entonces, ha habido bastantes experimentos con diferentes materiales puros. Pero dentro de los planetas, es mucho más complicado; hay muchos más productos químicos en la mezcla. Entonces, lo que queríamos averiguar aquí era qué tipo de efecto tienen estos químicos adicionales».

El equipo, dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad de Rostock en Alemania, así como por la École Polytechnique de Francia en colaboración con SLAC, publicó hoy los resultados en Science Advances.

Comenzando con plástico

En el experimento anterior, los investigadores estudiaron un material plástico hecho de una mezcla de hidrógeno y carbono, componentes clave de la composición química general de Neptuno y Urano. Pero además de carbono e hidrógeno, los gigantes helados contienen otros elementos, como grandes cantidades de oxígeno.

En el experimento más reciente, los investigadores utilizaron plástico PET —a menudo utilizado en envases de alimentos, botellas y recipientes de plástico— para reproducir la composición de estos planetas con mayor precisión.

«PET tiene un buen equilibrio entre carbono, hidrógeno y oxígeno para simular la actividad en los planetas de hielo», explicó Dominik Kraus, físico de HZDR y profesor de la Universidad de Rostock.

El oxígeno es el mejor amigo de un diamante

Los investigadores utilizaron un láser óptico de alta potencia en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC para crear ondas de choque en el PET. Luego, sondearon lo que sucedió en el plástico con pulsos de rayos X de LCLS.

Al estudiar un material que se parece aún más a la composición de los gigantes de hielo, los investigadores descubrieron que el oxígeno aumenta la formación de lluvia de diamantes. El equipo también encontró evidencia de que, en combinación con los diamantes, podría formarse una fase de agua descubierta recientemente, a menudo descrita como «hielo negro y caliente». Crédito: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.

Usando un método llamado difracción de rayos X, observaron cómo los átomos del material se reorganizaban en pequeñas regiones de diamantes. Al mismo tiempo, utilizaron otro método llamado dispersión de ángulo pequeño —que no se había utilizado la vez pasada— para medir qué tan rápido y grande crecían esas regiones. Usando este método adicional, pudieron determinar que estas regiones de diamantes crecieron hasta unos pocos nanómetros de ancho. Descubrieron que, con la presencia de oxígeno en el material, los nanodiamantes podían crecer a presiones y temperaturas más bajas que las observadas anteriormente.

«El efecto del oxígeno fue acelerar la división del carbono y el hidrógeno y así fomentar la formación de nanodiamantes», detalló Kraus. «Significaba que los átomos de carbono podían combinarse más fácilmente y formar diamantes».

Gigantes helados

Los autores predicen que los diamantes de Neptuno y Urano se volverían mucho más grandes que los nanodiamantes producidos en estos experimentos, quizás millones de quilates de peso. Durante miles de años, los diamantes podrían hundirse lentamente a través de las capas de hielo de los planetas y ensamblarse en una gruesa capa de brillo alrededor del núcleo planetario sólido.

El equipo también encontró evidencia de que, en combinación con los diamantes, también podría formarse agua superiónica. Esta fase de agua descubierta recientemente, a menudo descrita como «hielo negro caliente», existe a temperaturas y presiones extremadamente altas. En estas condiciones extremas, las moléculas de agua se rompen y los átomos de oxígeno forman una red cristalina en la que los núcleos de hidrógeno flotan libremente. Debido a que estos núcleos que flotan libremente están cargados eléctricamente, el agua superiónica puede conducir la corriente eléctrica y podría explicar los campos magnéticos inusuales en Urano y Neptuno.

Imágenes del telescopio espacial Hubble de Urano (izquierda) y Neptuno que muestran sus diferentes tonos azules. Crédito: NASA, ESA, A. Simon (Centro de vuelo espacial Goddard) y M. H. Wong (Universidad de California, Berkeley) y el equipo OPAL.

Los hallazgos también podrían afectar nuestra comprensión de los planetas en galaxias distantes, ya que los científicos ahora creen que los gigantes de hielo son la forma más común de planeta fuera de nuestro sistema solar.

«Sabemos que el núcleo de la Tierra está hecho predominantemente de hierro, pero muchos experimentos aún están investigando cómo la presencia de elementos más livianos puede cambiar las condiciones de fusión y las transiciones de fase», señaló la científica y colaboradora de SLAC, Silvia Pandolfi. «Nuestro experimento demuestra cómo estos elementos pueden cambiar las condiciones en las que se forman los diamantes en los gigantes de hielo. Si queremos modelar planetas con precisión, debemos acercarnos lo más posible a la composición real del interior planetario».

Nanodiamantes en bruto

Asimismo, esta investigación indica un camino potencial para la producción de nanodiamantes mediante la compresión por choque impulsada por láser de plásticos PET baratos. Si bien ya están incluidas en abrasivos y agentes de pulido, en el futuro, estas pequeñas gemas podrían usarse para sensores cuánticos, agentes de contraste médicos y aceleradores de reacción para energía renovable.

«La forma en que se fabrican los nanodiamantes actualmente es tomando un montón de carbono o diamante y haciéndolos estallar con explosivos», dijo el científico y colaborador de SLAC, Benjamin Ofori-Okai. «Esto crea nanodiamantes de varios tamaños y formas y es difícil de controlar. Lo que estamos viendo en este experimento es una reactividad diferente de la misma especie bajo alta temperatura y presión».

El instrumento MEC (foto) en SLAC brinda a los científicos las herramientas para investigar la materia densa y extremadamente caliente en los centros de estrellas y planetas gigantes.

«En algunos casos, los diamantes parecen formarse más rápido que en otros, lo que sugiere que la presencia de estos otros químicos puede acelerar este proceso. La producción con láser podría ofrecer un método más limpio y más fácil de controlar para producir nanodiamantes. Si podemos diseñar formas de cambiar algunas cosas sobre la reactividad, podemos cambiar la rapidez con la que se forman y, por lo tanto, el tamaño que adquieren», añadió.

A continuación, los científicos están planeando experimentos similares utilizando muestras líquidas que contienen etanol, agua y amoníaco, de lo que están hechos principalmente Urano y Neptuno, lo que los acercará aún más a la comprensión exacta de cómo se forma la lluvia de diamantes en otros planetas.

«El hecho de que podamos recrear estas condiciones extremas para ver cómo se desarrollan estos procesos en escalas muy pequeñas y muy rápidas es emocionante. Agregar oxígeno nos acerca más que nunca a ver la imagen completa de estos procesos planetarios, pero aún queda más trabajo por hacer. Es un paso en el camino hacia obtener la mezcla más realista y ver cómo se comportan realmente estos materiales en otros planetas», concluyó el científico y colaborador de SLAC, Nicholas Hartley.

Fuente: EurekAlert. Edición: MP.