La recreación de condiciones extremas en el laboratorio, como las del interior de planetas y estrellas, es muy compleja y solo se puede lograr por fracciones de segundo. Un equipo de investigación internacional dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR haahora presenta un método nuevo y muy preciso para evaluar el comportamiento de mezclas de diferentes elementos bajo alta presión con la ayuda de la dispersión de rayos X. Los resultados perfeccionan las mediciones anteriores y refuerzan la premisa de que la materia en planetas como Neptuno y Urano puede alterar dramáticamente: la mezcla de hidrocarburos calientes en el interior de los gigantes de hielo puede producir una especie de lluvia de diamantes, como informan los investigadores Comunicaciones de la naturaleza .
Ni sólido, ni fluido, ni gaseoso, ni plasma: la materia dentro de los planetas y las estrellas puede tomar un estado intermedio particular, a una temperatura de miles de grados, y comprimirse mil veces más que la atmósfera de nuestra Tierra - expertoslo llamamos materia cálida y densa. Hay muchas cosas que aún no sabemos al respecto. Los experimentos de laboratorio están destinados a cambiar todo eso, pero son técnicamente muy complejos porque este estado exótico no ocurre naturalmente en la Tierra. Todo lo cual significa que tanto la elaboracióny el estudio de la materia densa cálida artificial es un desafío para los investigadores y teóricos por igual. "Pero en última instancia, tenemos que entender los procesos en materia densa cálida si queremos modelar planetas", explica el Dr. Dominik Kraus, autor principal deel estudio y la mente maestra detrás del método de medición ". Ahora tenemos un nuevo enfoque muy prometedor basado en la dispersión de rayos X. Nuestros experimentos están entregando parámetros importantes del modelo donde, antes, solo teníamos una incertidumbre masiva. This serán cada vez más relevantes a medida que descubramos más exoplanetas "
Duchas de diamantes: una fuente de energía planetaria
En el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de la Universidad de Stanford, los investigadores estudiaron la estructura de la materia en mezclas típicas de los planetas, en el caso de gigantes de hielo, hidrocarburos, que emplean luz láser intensa. La película plástica estándar sirvió como sustituto de la planetariahidrocarburo. Un láser óptico de alta energía convierte el plástico en materia cálida y densa: los pulsos láser cortos y fuertes generan ondas de choque en la película y comprimen el plástico al extremo ". Producimos alrededor de 1,5 millones de barras, lo que equivale a la presión ejercidapor el peso de unos 250 elefantes africanos en la superficie de una miniatura ", dice Kraus, ilustrando las dimensiones. Lo que sucede es que las ondas de choque láser también calientan la materia a aproximadamente 5,000 grados. Para evaluar el efecto, los investigadores disparanpotente láser de rayos X en la muestra. Dependiendo de cómo se dispersa la luz a medida que pasa a través de la muestra, pueden extraer inferencias sobre la estructura de la materia.
Los investigadores observaron que en un estado de materia cálida y densa, lo que antes era plástico produce diamantes. La alta presión puede dividir el hidrocarburo en carbono e hidrógeno. Los átomos de carbono que se liberan se compactan en estructuras de diamante. En el caso de planetas comoNeptuno y Urano, esto significa que la formación de diamantes en su interior puede desencadenar una fuente de energía adicional. Los diamantes son más pesados que la materia que los rodea y se hunden lentamente en el núcleo del planeta en una especie de lluvia de diamantes. En el proceso,frote contra su entorno y genere calor, un factor importante para los modelos planetarios.
la dispersión de rayos X mejora la precisión de medición
En un experimento anterior, Kraus y su equipo fueron los primeros en probar la posible formación de diamantes en planetas usando difracción de rayos X en un entorno experimental. Pero los patrones de difracción de la luz de rayos X solo pueden revelar estructuras cristalinas.detectores, los investigadores ahora también analizaron cómo la luz fue dispersada por los electrones en la materia. Compararon los diversos componentes de dispersión entre sí, así como con simulaciones teóricas. Este proceso permite un escrutinio preciso de toda la estructura de la materia ".En el caso de los gigantes de hielo, ahora sabemos que el carbono forma casi exclusivamente diamantes cuando se separa y no adquiere una forma fluida de transición ", explica Kraus.
El método no solo es más sensible que la difracción de rayos X, sino que también se puede usar de manera más extensa porque requiere menos exigencias técnicas sobre la fuente de luz para el análisis. El equipo internacional de investigación ahora planea aplicarlo a mezclas de hidrógeno similaresa aquellos que ocurren en planetas gaseosos y al hidrógeno puro comprimido como se encuentra en el interior de pequeñas estrellas. Estos experimentos, que están planeados para llevarse a cabo, entre otros, en el Helmholtz International Beamline for Extreme Fields HIBEF en el XFEL europeo,podría ayudar a los investigadores a comprender los muchos planetas que ya conocemos fuera de nuestro sistema solar para determinar si la vida podría ser posible en alguno de ellos.
Los experimentos de fusión también podrían beneficiarse prácticamente del nuevo método de medición. La investigación de fusión también trata de recrear en la Tierra procesos que ocurren bajo gran presión en las estrellas. Durante la fusión por confinamiento inercial, los combustibles de deuterio y tritio se calientan al extremo y se comprimen.La materia cálida y densa es un estado intermedio. Con la ayuda de la dispersión de rayos X, este proceso podría monitorearse con precisión.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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