25 de abril de 2018
25.04.2018

Los láser de ultra alta presión arrojan luz sobre los núcleos de súper Tierras

Exoplanetas que son más grandes que la Tierra, pero más pequeños que Neptuno

25.04.2018 | 21:58
Imagen del planeta LHS 1140b.

Investigadores han simulado, utilizando rayos láser de alta potencia, condiciones dentro de un planeta tres veces más grande que la Tierra. Los científicos han identificado más de 2.000 de estas "súper Tierras", exoplanetas que son más grandes que la Tierra, pero más pequeños que Neptuno, el próximo planeta más grande del sistema solar.

Al estudiar cómo el hierro y las aleaciones de silicio responden a presiones extraordinarias, los investigadores están adquiriendo nuevos conocimientos sobre la naturaleza de las súper Tierras y sus núcleos.

"Ahora tenemos una técnica que nos permite acceder directamente a las presiones extremas de los interiores profundos de los exoplanetas y medir propiedades importantes", destaca uno de los autores de este trabajo, Thomas Duffy, profesor de Geociencias en Princeton, Estados Unidos.

Según Duffy, anteriormente, los científicos se limitaban a cálculos teóricos o extrapolaciones largas de datos de baja presión. "La capacidad de realizar experimentos directos nos permite probar los resultados teóricos y proporciona un grado mucho más alto de confianza en nuestros modelos sobre cómo se comportan los materiales en estas condiciones extremas", añade.

El trabajo, que resultó en los datos de difracción de rayos X de mayor presión jamás registrados, fue dirigido por June Wicks cuando era investigadora asociada de investigación en Princeton, trabajando con Duffy y sus colegas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Universidad de Rochester, en Nueva York, Estados Unidos. Sus resultados se publican este miércoles en la revista 'Science Advances'.

Debido a que las súper Tierras no tienen análogos directos en el propio sistema solar, los científicos están ansiosos por aprender más sobre sus posibles estructuras y composiciones, y así obtener información sobre los tipos de arquitecturas planetarias que pueden existir en nuestra galaxia.

Pero se enfrentan a dos limitaciones clave: no tienen medidas directas del propio núcleo planetario de la Tierra para extrapolar y las presiones internas en super Tierras pueden alcanzar más de diez veces la presión en el centro de la Tierra, mucho más allá del rango convencional de las técnicas experimentales.

Las presiones logradas en este estudio -hasta 1,314 gigapascales (GPa)- son aproximadamente tres veces más altas que los experimentos previos, lo que las hace más directamente útiles para modelar la estructura interior de grandes exoplanetas rocosos, dice Duffy. "La mayoría de los experimentos de alta presión usan células de yunque de diamante que rara vez alcanzan más de 300 GPa", o 3 millones de veces la presión en la superficie de la Tierra, señala. Las presiones en el núcleo de la Tierra alcanzan hasta 360 GPa.

"Nuestro enfoque es más nuevo, y muchas personas en la comunidad aún no están familiarizadas con él, pero hemos demostrado en este trabajo (y en el pasado) que podemos alcanzar rutinariamente presiones superiores a 1.000 GPa o más (aunque solo por una fracción de segundo). Nuestra capacidad para combinar esta presión muy alta con la difracción de rayos X para obtener información estructural nos proporciona una herramienta novedosa para explorar los interiores del planeta", subraya.

Los investigadores comprimieron dos muestras durante solo unas pocas mil millonésimas de segundo, el tiempo suficiente para sondear la estructura atómica con un pulso de rayos X brillantes. El patrón de difracción resultante proporcionó información sobre la densidad y la estructura cristalina de las aleaciones de hierro y silicio, revelando que la estructura cristalina cambiaba con un mayor contenido de silicio.

"El método de la difracción simultánea de rayos X y los experimentos de choque todavía está en su infancia, por lo que es emocionante ver una 'aplicación en el mundo real' para el núcleo de la Tierra y más allá", apunta Kanani Lee, profesor asociado de Geología y Geofísica en Universidad de Yale, que no participó en esta investigación.

Esta nueva técnica constituye una contribución "muy significativa" al campo de la investigación de exoplanetas, afirma Diana Valencia, pionera en el campo y profesora asistente de Física en la Universidad de Toronto-Scarborough, que tampoco participó en este trabajo. "Este es un buen estudio porque no solo estamos extrapolando desde bajas presiones y esperando lo mejor. Esto en realidad nos está dando 'lo mejor', dándonos esa información, y, por lo tanto, limita nuestros modelos mejor".

Wicks y sus colegas dirigieron un rayo láser corto pero intenso sobre dos muestras de hierro: una aleada con un 7 por ciento en peso de silicio, similar a la composición modelada del núcleo de la Tierra, y otra con 15 por ciento en peso de silicio, una composición que es posible en núcleos exoplanetarios. El núcleo de un planeta ejerce control sobre su campo magnético, evolución térmica y relación de radio de masa, dice Duffy.

"Sabemos que el núcleo de la Tierra es de aleación de hierro con aproximadamente un 10 por ciento de un elemento más ligero, y el silicio es uno de los mejores candidatos para este elemento ligero tanto para la Tierra como para los planetas extrasolares", afirma. Los investigadores descubrieron que, a presiones ultra altas, la aleación de silicio inferior organizaba su estructura cristalina en una estructura hexagonal cerrada, mientras que la aleación de silicio superior usaba un empaque cúbico centrado en el cuerpo.

Según Wicks, ahora profesora asistente en la Universidad Johns Hopkins, la diferencia atómica tiene enormes implicaciones. "El conocimiento de la estructura cristalina es la información más fundamental sobre el material que compone el interior de un planeta, como todas las demás propiedades físicas y químicas de la estructura cristalina", apunta esta experta.

Wicks y sus colegas también midieron la densidad de las aleaciones de hierro y silicio en un rango de presiones. Encontraron que, a las presiones más altas, las aleaciones de hierro y silicio alcanzan entre 17 y 18 gramos por centímetro cúbico; aproximadamente 2,5 veces más denso que en la superficie de la Tierra, y comparable a la densidad de oro o platino en la superficie de la Tierra. También compararon sus resultados con estudios similares realizados en hierro puro y descubrieron que las aleaciones de silicio son menos densas que el hierro no aleado, incluso bajo presiones extremas.

"Un núcleo de hierro puro no es realista -dice Duffy- ya que el proceso de formación planetaria inevitablemente conducirá a la incorporación de cantidades significativas de elementos más ligeros. Nuestro estudio es el primero en considerar estas composiciones básicas más realistas". Los investigadores calcularon la distribución de densidad y presión dentro de las súper Tierras, teniendo en cuenta la presencia de silicio en el núcleo por primera vez. Descubrieron que la incorporación de silicio aumenta el tamaño modelado de un núcleo planetario, pero reduce su presión central.

La investigación futura evaluará cómo otros elementos ligeros, como el carbono o el azufre, afectan a la estructura y la densidad del hierro en condiciones de presión ultra alta. Los científicos también esperan medir otras propiedades físicas clave del hierro.

"Para un geólogo, el descubrimiento de tantos planetas extrasolares ha abierto la puerta a un nuevo campo de exploración -dice Duffy-. Ahora nos damos cuenta de que las variedades de planetas que están fuera de nuestro alcance van mucho más allá de los ejemplos limitados en nuestro propio sistema solar, y hay un campo mucho más amplio de presión, temperatura y espacio de composición que se debe explorar".

Compartir en Twitter
Compartir en Facebook

Televisión


Los 'Gipsy Kings' vuelven por Navidad.
Los ´Gipsy Kings´ vuelven por Navidad a Cuatro el domingo 16 de diciembre

Los ´Gipsy Kings´ vuelven por Navidad a Cuatro el domingo 16 de diciembre

Los Jiménez y los Salazar llegan a la televisión con un especial titulado 'Morri Crismas'

´GH VIP´: Suso desvela lo que Aurah le dijo al oído

´GH VIP´: Suso desvela lo que Aurah le dijo al oído

La visita de la canaria generó polémica ya que le habría revelado información al concursante

Santiago Abascal apoya a los 44 de VOX en Marinaleda tras la polémica de ´Liarla Pardo´

Santiago Abascal apoya a los 44 de VOX en Marinaleda tras la polémica de ´Liarla Pardo´

Cristina Pardo tuvo que disculparse por el reportaje de su programa debido a las críticas en redes

Luis Fonsi, sobre ´La Voz´: "Te tienes que dejar llevar por el instinto y por lo que sientes"

Luis Fonsi, sobre ´La Voz´: "Te tienes que dejar llevar por el instinto y por lo que sientes"

El cantante estará también en la primera versión en español en EE.UU del 'talent show'


Los hermanos Torres dejan de cocinar para TVE

Los hermanos Torres dejan de cocinar para TVE

Los chefs dan a conocer a través de Twitter que su programa de recetas finalizará en febrero de 2019

Ruth Lorenzo, fichaje sorpresa de TVE para dar las Campanadas de Canarias

Ruth Lorenzo, fichaje sorpresa de TVE para dar las Campanadas de Canarias

Roberto Herrera, que lleva 15 años recibiendo el año nuevo desde las islas, acompañará a la...