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Uma vista em "explosão" de um planeta gigante gelado como Úrano ou Neptuno. Uma nova teoria propõe que por baixo da densa atmosfera se encontra uma camada rica em água (a azul) que se separou de uma camada mais profunda de carbono, azoto e hidrogénio, quente e a alta pressão (a âmbar). A pressão espreme o hidrogénio das moléculas de metano e amoníaco, criando camadas estratificadas de hidrocarbonetos que não se podem misturar com a camada de água, o que impede a convecção, convecção esta que cria um campo magnético dipolar.
Crédito: Quanta Magazine |
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Chuva de diamantes? Água superiónica?
Estas são apenas duas propostas que os cientistas planetários apresentaram para o que se encontra por baixo das espessas atmosferas azuladas de hidrogénio e hélio de Úrano e Neptuno, gigantes gelados do nosso Sistema Solar, mas superficialmente insípidos.
Um cientista planetário da Universidade da Califórnia, em Berkeley, EUA, propõe agora uma teoria alternativa - que os interiores destes dois planetas são constituídos por camadas e que as duas camadas, tal como o azeite e a água, não se misturam. Esta configuração explica perfeitamente os invulgares campos magnéticos dos planetas e implica que as teorias prévias acerca dos interiores provavelmente não são verdadeiras.
Num artigo científico publicado a semana passada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, Burkhard Militzer defende que existe um oceano profundo de água logo abaixo das camadas de nuvens e, por baixo, um fluido altamente comprimido de carbono, azoto e hidrogénio. As simulações em computador mostram que, sob as temperaturas e pressões do interior dos planetas, uma combinação de água (H2O), metano (CH3) e amoníaco (NH3) se separaria naturalmente em duas camadas, principalmente porque o hidrogénio seria espremido do metano e do amoníaco que constituem grande parte do interior profundo.
Estas camadas imiscíveis explicariam porque é que nem Úrano nem Neptuno têm um campo magnético como o da Terra. Esta foi uma das descobertas surpreendentes acerca dos gigantes gelados do nosso Sistema Solar feitas pela missão Voyager 2 no final da década de 1980.
"Agora temos, diria eu, uma boa teoria sobre a razão pela qual Úrano e Neptuno têm campos realmente diferentes, e é bem diferente da da Terra, de Júpiter e de Saturno", disse Militzer, professor de ciências terrestres e planetárias da UC Berkeley. "Não sabíamos disto antes. É como o azeite e a água, só que o azeite vai para baixo porque o hidrogénio é perdido".
Se outros sistemas estelares tiverem composições semelhantes às nossas, disse Militzer, os gigantes de gelo à volta dessas estrelas poderão ter estruturas internas semelhantes. Os planetas do tamanho de Úrano e Neptuno - os chamados planetas subneptuno - estão entre os exoplanetas mais comuns descobertos até à data.
A convecção conduz a campos magnéticos
À medida que um planeta arrefece da sua superfície para baixo, o material frio e mais denso afunda-se, enquanto as manchas de fluido mais quente sobem como água a ferver - um processo chamado convecção. Se o interior for condutor de eletricidade, uma camada espessa de material em convecção gerará um campo magnético dipolar semelhante ao de um íman em barra. O campo dipolar da Terra, criado pelo seu núcleo externo de ferro líquido, produz um campo magnético que vai do polo norte ao polo sul e é a razão pela qual as bússolas apontam para os polos.
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Um diagrama da estrutura interior de Úrano mostrando quatro camadas distintas: hidrogénio (azul claro); água (azul escuro); hidrocarbonetos (vermelho); e um núcleo rochoso (amarelo). Úrano tem um campo magnético desordenado que tem origem na sua camada de água. A imagem também mostra a extrema inclinação do eixo de Úrano em relação à sua órbita e um dos ténues anéis de material que rodeiam o planeta.
Crédito:
Burkhard Militzer, UC Berkeley e NASA |
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Mas a Voyager 2 descobriu que nenhum dos dois gigantes de gelo tem esse campo dipolar, apenas campos magnéticos desorganizados. Isto implica que não há movimento convectivo de material, numa camada espessa, no interior profundo dos planetas.
Para explicar estas observações, dois grupos de investigação distintos propuseram, há mais de 20 anos, que os planetas devem ter camadas que não se podem misturar, impedindo assim a convecção em grande escala e um campo magnético dipolar global. A convecção numa das camadas poderia, no entanto, produzir um campo magnético desorganizado. Mas nenhum dos grupos conseguiu explicar de que eram feitas estas camadas que não se misturam.
Há dez anos, Militzer tentou repetidamente resolver o problema, utilizando simulações em computador de cerca de 100 átomos com as proporções de carbono, oxigénio, azoto e hidrogénio refletindo a composição conhecida dos elementos do Sistema Solar primitivo. Com as pressões e temperaturas previstas para os interiores dos planetas - 3,4 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra e 4750 K, respetivamente - não conseguiu encontrar uma forma de formar camadas.
Porém, no ano passado, com a ajuda da aprendizagem de máquina, conseguiu executar um modelo informático que simulava o comportamento de 540 átomos e, para sua surpresa, descobriu que as camadas se formam naturalmente à medida que os átomos são aquecidos e comprimidos.
"Um dia, olhei para o modelo e a água tinha-se separado do carbono e do azoto. O que eu não conseguia fazer há 10 anos atrás estava agora a acontecer", disse ele. "Pensei: 'Uau! Agora sei porque é que as camadas se formam: uma é rica em água e a outra é rica em carbono, e em Úrano e Neptuno, é o sistema rico em carbono que está por baixo. A parte pesada fica em baixo e a parte mais leve fica em cima e não pode fazer qualquer convecção'".
"Não podia descobrir isto sem ter um grande sistema de átomos, e o grande sistema não podia ser simulado há 10 anos", acrescentou.
A quantidade de hidrogénio espremido aumenta com a pressão e a profundidade, formando uma camada estratificada estável de carbono, azoto e hidrogénio, quase como um polímero plástico, disse. Enquanto a camada superior, rica em água, provavelmente convecta para produzir o campo magnético desorganizado observado, a camada mais profunda, estratificada e rica em hidrocarbonetos, não pode.
Quando modelou a gravidade produzida por um Úrano e por um Neptuno em camadas, os campos gravitacionais coincidiram com os medidos pela Voyager 2 há quase 40 anos.
"Se perguntarem aos meus colegas: 'O que acham que explica os campos de Úrano e Neptuno?' eles poderão dizer: 'Bem, talvez seja esta chuva de diamantes, mas talvez seja esta propriedade da água a que chamamos superiónica'", disse. "Do meu ponto de vista, isso não é plausível. Mas se tivermos esta separação em duas camadas, isso deve explicar tudo".
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Modelos das estruturas interiores dos planetas gigantes gelados Úrano e Neptuno, que apresentam duas camadas intermédias distintas: uma camada superior, rica em água e em convecção, onde são gerados campos magnéticos desorganizados, e uma camada inferior, não-convectante e rica em hidrocarbonetos. Novas simulações computacionais mostram que os materiais gelados se separam naturalmente a altas pressões e temperaturas nestas duas camadas.
Crédito:
Burkhard Militzer, UC Berkeley |
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Militzer prevê que por baixo da atmosfera de Úrano, com quase 5 mil quilómetros de espessura, se encontre uma camada rica em água com cerca de 8 mil quilómetros de espessura e, por baixo desta, uma camada rica em hidrocarbonetos, também com cerca de 8 mil quilómetros de espessura. O seu núcleo rochoso tem aproximadamente o tamanho do planeta Mercúrio. Apesar de Neptuno ser mais massivo do que Úrano, é mais pequeno em diâmetro, com uma atmosfera mais fina, mas com camadas igualmente espessas, ricas em água e hidrocarbonetos. O seu núcleo rochoso é ligeiramente maior do que o de Úrano, aproximadamente do tamanho de Marte.
Ele espera trabalhar com colegas que possam testar, com experiências laboratoriais sob temperaturas e pressões extremamente elevadas, se as camadas se formam em fluidos com as proporções de elementos encontradas no sistema protosolar. Uma missão proposta pela NASA a Úrano poderia também fornecer uma confirmação, se a nave espacial tiver a bordo um gerador de imagens Doppler para medir as vibrações do planeta. Um planeta em camadas vibraria a frequências diferentes das de um planeta em convecção, disse Militzer. O seu próximo projeto é utilizar o modelo computacional para calcular a diferença entre as vibrações dos planetas.
// UC Berkeley (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Proceedings of the National Academy of Sciences)
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