En ny teoretisk metod banar väg för att modellera det inre av isjättarna Uranus och Neptunus, tack vare datorsimuleringar på vattnet i dem. Verktyget, utvecklad av forskare från SISSA i Trieste och University of California i Los Angeles och nyligen publicerad i Naturkommunikation , låter en analysera termiska och elektriska processer som sker under fysiska förhållanden som ofta är omöjliga att reproducera experimentellt, med ett mycket enklare och billigare tillvägagångssätt.

I denna forskning, forskarna har analyserat ledning av elektricitet och värme från vatten under extrema temperatur- och tryckförhållanden, som de som förekommer inuti isjätteplaneter såväl som i många exoplaneter utanför dem. Undersöker de fenomen som uppstår under deras yta, faktiskt, är nyckeln till att förstå utvecklingen av dessa himlakroppar, att fastställa deras ålder, och att kasta ljus över geometrin och utvecklingen av deras magnetfält.

Mikroskopiska vågar för att berätta historier om miljarder år

"Väte och syre är de vanligaste grundämnena i universum, tillsammans med helium. Det är lätt att dra slutsatsen att vatten är en av de viktigaste beståndsdelarna i många himlakroppar. Ganymedes och Europa, Jupiters satelliter, och Enceladus, Saturnus satellit, närvarande isiga ytor under vilka oceaner av vatten ligger. Neptunus och Uranus består också troligen främst av vatten, " Federico Grasselli och Stefano Baroni, första och sista författare, förklara.

"Vår kunskap om planetariska interiörer, " säger de lärda, "baserat på egenskaperna hos planetens yta och magnetfält, som själva påverkas av de fysiska egenskaperna hos deras inre struktur, som transport av energi, massa och laddning genom de inre mellanskikten. Det är därför vi har utvecklat en teoretisk och beräkningsmetod för att beräkna vattens termiska och elektriska ledningsförmåga, i de faser och förhållanden som förekommer i sådana himlakroppar, utgående från banbrytande simuleringar av mikroskopisk dynamik hos några hundra atomer och inkorporering av elektronernas kvantnatur utan någon ytterligare ad-hoc-approximation. Genom att simulera atomskalan för bråkdelar av en nanosekund, vi kan förstå vad som har hänt med enorma massor på tidsskalor av miljarder år."

Is, flytande eller superioniskt:Ett helt annat vatten

Forskarna analyserade tre olika faser av vatten:is, flytande, och superionisk, under de extrema temperatur- och tryckförhållandena som är typiska för de inre lagren av dessa planeter. Grasselli och Baroni förklarar:"Under sådana exotiska fysiska förhållanden, vi kan inte tänka på is som vi är vana vid. Även vatten är faktiskt annorlunda, tätare, med flera molekyler dissocierade till positiva och negativa joner, bär alltså en elektrisk laddning. Superioniskt vatten ligger någonstans mellan den flytande och fasta fasen:syreatomerna i H ₂ O-molekylen är organiserad i ett kristallint gitter, medan väteatomer diffunderar fritt som i en laddad vätska." Studiet av termiska och elektriska strömmar som genereras av vattnet i dessa tre olika former är avgörande för att belysa många olösta frågor.

Transport av värme och el för att förstå dåtid och nutid

De två forskarna säger också att "inre elektriska strömmar är vid basen av planetens magnetfält. Om vi ​​förstår hur de förra flyter, vi kan lära oss mycket mer om det senare." Och inte bara det. "De termiska och elektriska transportkoefficienterna dikterar planetens historia, hur och när det bildades, hur det svalnade. Det är därför viktigt att analysera dem med lämpliga verktyg, som den vi har utvecklat. Särskilt, värmeledningsegenskaperna som framgår av vår studie tillåter oss att anta att förekomsten av en frusen kärna kan förklara Uranus onormalt låga ljusstyrka på grund av ett extremt lågt värmeflöde från dess inre mot ytan."

Vidare, den elektriska ledningsförmågan som hittats för den superjoniska fasen är mycket större än vad som antagits i tidigare modeller av magnetfältsgenerering i Uranus och Neptunus. Eftersom superioniskt vatten tros dominera de täta och tröga planetskikten under det konvektiva vätskeområdet där deras magnetfält genereras, dessa nya bevis kan ha en stor inverkan på studiet av geometrin och utvecklingen av de två planeternas magnetfält.