Ciência

Forma Bizarra de Gelo Quente Observada na Terra

O material extremo, que se pensa existir nas profundezas de Neptuno e de Urano, tem metade da temperatura da superfície solar.quinta-feira, 16 de maio de 2019

Por Adam Mann
Da esquerda para a direita – nesta representação artística – lasers de alta-potência concentram-se na superfície de um diamante, gerando uma sequência de ondas de choque que se propagam através de uma amostra de água, comprimindo e aquecendo-a simultaneamente, forçando-a a congelar em gelo superiónico.

Dos mares da Antártida às profundezas dos nossos congeladores, a maior parte do gelo na Terra é algo relativamente insípido. Mas no nosso sistema solar e mais além, temperaturas e pressões extremas podem esmagar as substâncias congeladas em variedades extremamente bizarras.

Agora, investigadores captaram imagens de raios-x do que pode vir ser o mais novo participante na diversidade do gelo: um material altamente condutor de eletricidade conhecido por gelo superiónico. Descrito pela equipa na revista Nature, esse gelo existe em pressões entre um e quatro milhões de vezes a pressão verificada ao nível do mar, e em temperaturas que atingem metade do calor existente na superfície do sol.

"Sim, estamos a falar de gelo", diz o líder do estudo, Marius Millot, físico no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia. "Mas a amostra está a vários milhares de graus."

Estas condições, apesar de serem normalmente inatingíveis na Terra, podem estar presentes nas profundezas de gigantes de água como Urano e Neptuno, ajudando potencialmente a explicar como é que estes planetas distantes funcionam, incluindo as origens dos seus campos magnéticos fora do normal.

Para Além da Ficção
Os cientistas já conhecem 17 variedades de gelo cristalino (os fãs de Kurt Vonnegut podem ficar aliviados ao saber que o Gelo IX é bastante inócuo em comparação com o seu homónimo fictício). Há mais de 30 anos que os físicos previam que a pressão esmagadora devia comprimir a água em formas superiónicas.

Os materiais superiónicos são bestas de duas faces, parte sólida e parte líquida, que a um nível microscópico consistem numa rede cristalina permeada por núcleos atómicos flutuantes que podem transportar carga elétrica. Na água – também conhecida por H2O – os átomos de oxigénio transformam-se num cristal solidificado, enquanto que os protões de hidrogénio se movem como um líquido. (Recentemente, outra equipa de cientistas confirmou a existência de um estado da matéria que é sólido e líquido ao mesmo tempo.)

"É um estado da matéria bastante exótico", diz a coautora Federica Coppari, também do laboratório Livermore.

Nesta fotografia, de tempo integrado, de uma experiência de difração de raios-x, lasers gigantes concentram-se na amostra de água, que está na placa frontal da ferramenta de diagnóstico usada para registar os padrões de difração. Raios laser adicionais geram um raio-x de uma folha de ferro, permitindo aos investigadores captar uma imagem da camada de água aquecida e comprimida.

No ano passado, Millot, Coppari e os seus colegas descobriram a primeira evidência de gelo superiónico, usando bigornas de diamante e ondas de choque induzidas a laser, para comprimir de forma extrema a água líquida, ao ponto de esta se transformar em gelo sólido durante alguns milésimos de segundo. As medições da equipa mostraram que o gelo-água se transformou, por breves instantes, num condutor elétrico centenas de vezes mais forte, um indício de que se tinha transformado em superiónico.

Nos testes mais recentes, os investigadores usaram seis feixes gigantes de laser para gerar uma sequência de ondas de choque que esmagava uma camada fina de água líquida em gelo solidificado, com milhões de vezes a pressão da superfície da Terra e entre 1600 e 2700 graus Celsius. Projeções intermitentes de raios-x, cronometradas com precisão, sondaram a configuração, que durou novamente alguns milésimos de segundo, e revelou que os átomos de oxigénio tinham de facto assumido uma forma cristalina.

“O facto da matéria se conseguir alterar numa variedade tão grande de formas é espantoso.”

por ROBERTO CAR, UNIVERSIDADE DE PRINCETON

O oxigénio foi observado a ser compactado em cubos centrados com faces – pequenas caixas com um átomo em cada canto e um átomo no meio de cada lado. Esta é a primeira vez que o gelo-água foi visto a assumir tal disposição, diz Coppari. A equipa propôs dar o nome de Gelo XVIII a esta nova formação.

Embora houvesse alguma sobreposição nas condições – entre as duas experiências da equipa – serão necessárias mais investigações para provar definitivamente que o gelo é superiónico, diz Roberto Car, físico na Universidade de Princeton que não esteve envolvido no trabalho. No entanto, Car considera o estudo uma ilustração importante da variabilidade da água.

“O facto da matéria se conseguir alterar numa variedade tão grande de formas é espantoso”, diz.

Mistérios Magnéticos
Os resultados da equipa já estão a ser usados em modelos de Urano e Neptuno. Conhecidos frequentemente como gigantes de gelo, esses mundos enormes têm cerca de 65% de água, e um pouco de amónio e de metano, que formam camadas muito parecidas com a superfície rochosa-metálica, o manto e o núcleo da Terra.

As novas experiências indicam que Urano e Neptuno devem ter uma camada de gelo superiónica que age como o manto do nosso planeta, que é feito de rocha sólida que ainda flui em escalas de tempo geológicas extremamente longas. E isso poderia ajudar a explicar os seus campos magnéticos fora do normal.

FOTOGRAFIAS IRRESISTÍVEIS DA TERRA

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Acredita-se que os campos magnéticos da Terra, Júpiter e Saturno sejam criados por dínamos internos próximos dos seus núcleos. Os campos desses planetas estão alinhados de forma bastante próxima com os seus eixos, como se originassem de barras magnéticas que atravessam os centros dos planetas.

Por outro lado, o campo magnético de Neptuno parece vir de uma barra magnética interna que oscilou para um lado, com as extremidades a emergirem de pontos a meio caminho do seu equador. Urano é ainda mais estranho, como uma barra magnética invertida de cabeça para baixo, significando que o seu sul magnético se projeta para fora do hemisfério norte do planeta. Suspeita-se que ambos os campos magnéticos dos gigantes de gelo possam ser instáveis.

Millot sugere que pode haver uma camada líquida na extremidade superior da camada de gelo superiónico de Urano e de Neptuno, e que também é uma fase da água altamente condutora de eletricidade. Os campos magnéticos dos planetas podem ter origem nessa zona, muito mais próximos da superfície do que os campos magnéticos de outros planetas, explicando possivelmente as suas características instáveis. E como os astrónomos têm descoberto muitos exoplanetas do tamanho de Neptuno e de Urano, os resultados poderiam ser aplicáveis a partes longínquas do cosmos.

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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