Observan extraña forma de "hielo caliente" en la Tierra

Desde los mares de la Antártida hasta las profundidades de tu freezer, la gran parte del hielo de la Tierra es una materia relativamente dócil. Pero, a lo largo de todo el sistema solar y más allá, las temperaturas y presiones extremas pueden convertir a la sustancia helada en algunas variedades de lo más extrañas.

Ahora, los investigadores han tomado imágenes de rayos X de lo que podría ser un nuevo candidato en lo que respecta a diversidad de hielo: un material altamente electroconductivo conocido como hielo superiónico. Tal como lo informa el equipo en la revista Nature, este hielo existe a presiones entre uno y cuatro millones de veces más que en el nivel del mar y a la mitad de la temperatura de la superficie del Sol.

“Y sí, estamos hablando de hielo”, señala el autor principal del estudio Marius Millot, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNB, por su sigla en inglés) en California. “La muestra se encuentra a varios miles de grados”.

Aunque dichas condiciones son normalmente inalcanzables en la Tierra, sí están presentes en las profundidades de los gigantes acuosos Urano y Neptuno, y es probable que esto nos ayude a explicar cómo estos planetas distantes funcionan y hasta entender los orígenes de sus inusuales campos magnéticos.

Más allá de Vonnegut

Los científicos ya conocen 17 variedades de hielo cristalino (los fanáticos de Kurt Vonnegut pueden sentirse aliviados al saber que el Ice IX es bastante inocuo comparado con su ficticio equivalente). Y hace más de 30 años, los físicos predijeron que la aplastante presión comprimiría al agua y crearía formas superiónicas.

Los materiales superiónicos son bestias duales, una parte sólida y otra líquida, que, a nivel microscópico consisten de una red cristalina permeada por núcleos atómicos de flotación libre con posible carga eléctrica. En la partícula de agua (también conocida como H2O), los átomos de oxígeno se triturarían y convertirían en cristal solidificado mientras que los protones de hidrógeno se comprimirían como un líquido. 

“Es un estado de la materia un tanto exótico” afirma la coautora del estudio Federica Coppari, quien también pertenece al laboratorio Livermore.

El año pasado, Millot, Coppari y sus colegas encontraron la primera prueba de hielo superiónico. Para lograrlo, utilizaron yunques de diamante y ondas expansivas inducidas por láser a fin de comprimir el agua líquida de tal manera que se convirtiera en hielo sólido por un par de milmillonésimas de segundo. Las medidas del equipo mostraron que el hielo acuoso se volvió, por poco tiempo, cientos de veces más electroconductivo de lo que era anteriormente, un gran indicio de que se volvió superiónico.

En sus últimas pruebas, los investigadores usaron seis destellos gigantes de láser para generar una secuencia de ondas expansivas que trituraban una fina capa de agua líquida y la convertían en hielo solidificado a una presión millones de veces más alta que la de la superficie de la Tierra, y entre 1649 y 2760 grados Celsius. Los cronometrados destellos de rayos X examinaron la configuración, que, nuevamente, solo duró un par de milmillonésimas de segundo, y reveló que los átomos de oxígeno tomaron forma cristalina.

Se vio que el oxígeno se unió densamente en bloques con centro en las caras: pequeñas cajas con un átomo en cada esquina y uno en el medio de cada lado. Esta es la primera vez que se ha visto al hielo acuoso tomar esa distribución, señala Coppari. El equipo ha propuesto llamar a esta nueva formación Ice XVIII.

Aunque existe superposición de condiciones entre los dos experimentos del equipo, se necesitarán más investigaciones para probar definitivamente que el hielo es superiónico, menciona Roberto Car, físico de la Universidad Princeton, quien no participó del estudio. Sin embargo, considera que el estudio es un importante ejemplo de la variabilidad del agua.

“El hecho de que el agua pueda disponerse en tantas variedades de formas es bastante sorprendente”, indica.

Misterios magnéticos

Los resultados del equipo ya están orientando modelos de Urano y Neptuno. La composición de estos mundos enormes, también conocidos como gigantes de hielo, contiene, aproximadamente, 65 por ciento de agua, más un poco de amoniaco y metano, lo cual forma capas mucho más parecidas a la superficie, manto y centro rocoso metálico de la Tierra.

Los nuevos experimentos indican que Urano y Neptuno deberían tener una capa de hielo superiónico que actúe como el manto de nuestro planeta, el cual está compuesto de roca sólida que todavía circula en extremadamente grandes espacios de tiempo geológicos. Y eso podría ayudar a explicar por qué tienen campos magnéticos tan poco usuales.

Se cree que los campos magnéticos de la Tierra, Júpiter y Saturno son creados por dínamos internos cerca de sus núcleos. Los campos de estos planetas están alineados de manera bastante estrecha con sus ejes, como si se desprendieran de barras magnéticas pegadas mediante los centros de los planetas.

En cambio, el campo magnético de Neptuno parece desprenderse de una barra magnética interna que se inclina hacia abajo a un lado, con sus extremos surgiendo desde puntos a mitad del ecuador. Urano es aún más estrafalario, como una barra magnética al revés, lo que significa que su magnético sur sobresale del hemisferio norte del planeta.  Se cree que los campos magnéticos de ambos gigantes helados son inestables.

Millot ha sugerido que podría haber una capa líquida en el borde superior de la capa de hielo superiónico de Urano y Neptuno, y eso también es una fase del agua altamente electroconductiva. Los campos magnéticos de los planetas se podrían originar aquí, mucho más cerca de la superficie que los campos magnéticos de otros mundos, lo que podría explicar sus ladeadas características. Y dado que los astrónomos han descubierto muchos exoplanetas del tamaño de Neptuno y Urano, estos nuevos hallazgos podrían aplicarse a partes del cosmos remotas.