08/Ago/08

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Júpiter y Saturno llenos de helio metálico líquido

Hay una extraña mezcla de metal enterrada dentro de Júpiter y Saturno, de acuerdo con un nuevo estudio de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, y de Londres

Los resultados de los investigadores de la Universidad de California en Berkeley y de Londres sugieren que los planetas gigantes y gaseosos como Júpiter, mostrado aquí en un mosaico construido con imágenes de la sonda espacial Cassini, están llenos de una aleación metálica líquida de helio e hidrógeno.

El estudio, publicado esta semana en la edición en línea de la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias, demuestra que el helio metálico es menos raro que lo que se pensaba y que puede ser producido bajo las condiciones presentes en los centros de los planetas gigantes y gaseosos, por la mezcla con hidrógeno metálico y formando una aleación metálica líquida.

"Esto es un progreso en términos de nuestro conocimiento de los materiales, y es importante porque para comprender la evolución a largo plazo de los planetas, necesitamos conocer sus propiedades con más profundidad", dijo Raymond Jeanloz, profesor de astronomía y ciencias de la tierra y planetaria en la Universidad de California en Berkeley, y uno de los autores del estudio. "La conclusión es también interesante desde el punto de vista de comprender por qué los materiales son como son, y qué determina su estabilidad y sus propiedades físicas y químicas".

Jeanloz estudia presiones de decenas de millones de veces más grandes que la presión atmosférica de la Tierra, la clase de fuerza que se siente dentro de Júpiter y Saturno, llamados "gigantes gaseosos" que carecen de una superficie sólida. El núcleo de la Tierra, que es pequeño y denso comparado con los de estos gigantes gaseosos, contiene presiones de unos 3,5 millones de veces la presión atmosférica. Las presiones en el núcleo de Júpiter, por ejemplo, llegan a 70 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra, el enorme tamaño compensa su baja densidad. Los núcleos de Júpiter y Saturno tienen una temperatura de 10.000 a 20.000 grados Celsius, dos a cuatro veces más caliente que la superficie del Sol.

En este estudio, Jeanloz y Lars Stixrude, profesor de ciencias de la tierra en el University College London, miraron más de cerca lo que le pasaba al helio bajo tales condiciones extremas.

La mayor parte de los estudios sobre los materiales de los planetas gaseosos se han enfocado en el hidrógeno, porque es el elemento predominante en ambos planetas y en el universo, dijo Jeanloz. Pero aunque el hidrógeno es el elemento más liviano, su comportamiento es bastante complicado debido a su tendencia de formar moléculas de dos átomos de hidrógeno asociados, dijo Jeanloz. Jeanloz y Stixrude querían estudiar un elemento más simple, para comprender más fácilmente los efectos de temperaturas y presiones extremas.

De modo que eligieron el helio, el segundo elemento más abundante, que comprende el 5 a 10% del universo. Usaron teorías basadas en la mecánica cuántica para calcular el comportamiento del helio bajo diferentes presiones y temperaturas. Aunque estas ecuaciones son sólo aproximaciones, dijo Stixrude, las predicciones de los investigadores coincidieron muy cerca con los resultados experimentales para presiones más bajas.

Bajo las condiciones de la Tierra, el helio es un gas incoloro, transparente y aislante de la electricidad. Pero bajo la presión y la temperatura encontrada en los núcleos de Júpiter y Saturno, los investigadores descubrieron que el helio se convierte en un metal líquido, como el mercurio.

"Puede imaginar a este líquido que parece mercurio, sólo que menos reflexivo", dijo Jeanloz.

El hallazgo fue una sorpresa, porque los científicos habían supuesto que las altas presiones y temperaturas harían más difícil la metalización de elementos como el helio, no más fácil, dijo Jeanloz. Él y sus colegas habían descubierto previamente que el helio empieza a tener algunas cualidades metálicas en experimentos bajo presiones sumamente altas, pero todavía no han podido experimentar con helio bajo las condiciones encontradas dentro de los planetas gigantes.

La característica clave de un metal es su capacidad para conducir la electricidad; eso significa que los electrones pueden fluir a través de él como el agua que circula con total libertad sobre el lecho de un río.

"Las altas temperaturas hacen que los átomos se agiten, de modo que la gente pensaba que al elevar el calor se desviarían los electrones, como poner rocas en un torrente para bloquear la circulación del agua", dijo Jeanloz. "Se pensaba que el movimiento causado por los átomos hacía que los electrones fluyeran por la corriente con mayor dificultad".

Pero resulta que la agitación de los átomos también crea nuevos caminos por donde los electrones se mueven, casi como si se hubieran abierto nuevas grietas en el suelo para que circule el río, dijo Jeanloz.

Los científicos descubrieron recientemente que el hidrógeno se metaliza bajo temperaturas y presiones más bajas que las consideradas previamente. El dogma en el campo era que las características de hidrógeno y del helio eran tan diferentes que no se mezclarían dentro de los planetas gaseosos gigantes, dijo Jeanloz. Las conclusiones de los investigadores indican, sin embargo, que los dos elementos probablemente se mezclan, formando una aleación metálica como el latón, pero líquida.

Esta conclusión también habla de uno de los muchos misterios de estos planetas grandes, dijo Stixrude. Que Júpiter y Saturno emiten más energía que la que absorben del Sol, y los científicos no comprenden de dónde viene. Una de las teorías predominantes es que gotitas de helio se condensan fuera de las atmósferas exteriores de los planetas y caen hacia sus centros como "lluvia de helio", liberando energía gravitacional. Pero las conclusiones de Jeanloz y Stixrude muestran que el helio y el hidrógeno forman probablemente una mezcla más homogénea que la sospechada, y eso significa que la lluvia de helio es improbable.

"Ahora tenemos que buscar esta fuente de energía en otro lugar", dijo Stixrude.

Fuente: Berkeley. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard