La científica planetaria Dra. Helen Maynard-Casely y sus asociados informaron por primera vez cómo el metano y el nitrógeno sólidos se expanden en respuesta a los cambios de temperatura y resolvieron una ambigüedad histórica relacionada con la estructura del nitrógeno.

El estudio se inspiró en la misión New Horizons, que en su sobrevuelo de Plutón hace cinco años, descubrió glaciares de metano sólido y nitrógeno en la superficie del planeta enano.

En una investigación publicada en la revista IUCrJ, también proporcionaron evidencia de cambios inesperados en la orientación de los granos del metano sólido y del nitrógeno al calentarse, lo que indicó que los granos podrían estar creciendo.

Plutón, que está inclinado a 120 grados sobre su eje, experimenta variaciones estacionales de temperatura de entre 24 y 54 Kelvin (-250 a -220 Celsius) en su viaje de 248 años alrededor del sol.

“El hecho de que las moléculas de metano y nitrógeno puedan fluir a temperaturas tan extremadamente bajas tiene que ver con la forma en que las moléculas de metano y nitrógeno están dispuestas en sus estructuras cristalinas, razón por la cual la cristalografía podría responder preguntas sobre estos paisajes inusuales, "dijo Maynard-Casely.

"En las estaciones más cálidas de Plutón, todavía alrededor de -220 C, tanto las moléculas de metano como las de nitrógeno giran libremente en los sólidos; las moléculas no están muy bien unidas entre sí, " ella dijo.

"Los estudios de las propiedades mecánicas de estos materiales a temperaturas muy bajas son un verdadero desafío, también falta información útil para las condiciones inusuales en los cuerpos planetarios exteriores ".

Maynard-Casely, que estudia las superficies de los planetas helados exteriores y sus lunas, recrea esas condiciones utilizando el difractómetro de alta intensidad Wombat y los hornos criogénicos. Realizó el estudio de expansión térmica del metano y el nitrógeno como no se había hecho anteriormente.

Se cree que los cambios en la densidad de ambas moléculas son útiles para explicar la glaciología de Plutón.

Lo que se esperaba que fuera un sencillo estudio de cristalografía de la expansión térmica en un rango de temperaturas tuvo algunos resultados inesperados.

"El nitrógeno en realidad tiene dos estructuras cristalinas en el rango de temperaturas que se ven en Plutón, y me sorprendió que el modelo más aceptado para la forma alfa de temperatura más baja no se ajustara a nuestros datos. Resultó que este es un tema que nunca se ha resuelto desde la década de 1970, aunque el modelo más citado de la celda unitaria es el grupo espacial asimétrico P213 de cuatro moléculas cúbicas, "dijo Maynard-Casely.

Los datos se recopilaron en Wombat en una muestra adicional, luego se probaron de nuevo cinco posibles estructuras diferentes.

"Los datos se ajustan al grupo espacial Pa3̅, en el que el centro de la molécula se encuentra en el origen de la estructura cristalina. Esto es importante porque el grupo espacial afecta las propiedades físicas ".

En el modelo alternativo, los átomos de nitrógeno están desplazados desde el origen.

"Una estructura en el grupo espacial P213 podría ser piroeléctrica, lo que significa que podría haber una liberación de energía cuando se calienta. Esto sería relevante para la glaciología, pero los datos de Wombat sugieren que este no es el caso, "dijo Maynard-Casely.

"La historia del nitrógeno es realmente interesante porque las moléculas tienen la capacidad de enfriarse en una estructura ordenada, que es la fase de nitrógeno alfa y en este punto hay una gran caída de volumen, "explicó Maynard-Casely.

"Mientras que a una temperatura un poco más alta, alrededor de 44 Kelvin, las moléculas de nitrógeno giran libremente en un estado plástico ".

La fase I del metano también se describe como una fase plástica, en el que se pensaba que la naturaleza de interacción débil de las moléculas y la libertad de orientación impartían una suavidad mecánica.

La investigación fue motivada por las impactantes imágenes de la superficie de Plutón capturadas por la misión New Horizons hace cinco años. que mostraba imponentes montañas heladas rodeadas por un terreno más bajo con aparentes características fluidas.

"Se acabó la idea de que Plutón es un mundo muerto. New Horizons ha recogido evidencia de que el planeta enano ha estado geológicamente activo a lo largo de sus 4 mil millones de años de vida".

"También fue interesante ver cuán poco la estructura de enlaces de hidrógeno, agua, expandido en el mismo rango de temperatura, "dijo Maynard-Casely.

"Ves el agua como una línea casi recta en el gráfico de datos, Considerando que el metano y el nitrógeno tienen una expansión significativa al aumentar las temperaturas, " ella dijo.