El hidrógeno metálico es uno de los materiales más raros de la Tierra, sin embargo, más del 80 por ciento de los planetas, incluido Júpiter, Saturno, y cientos de planetas extrasolares, están compuestos de esta forma exótica de materia.

Su abundancia en nuestro sistema solar, a pesar de su rareza en la Tierra, hace que el hidrógeno metálico sea un foco intrigante para los investigadores del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester que estudian la formación y evolución de planetas. incluyendo cómo los planetas tanto dentro como fuera de nuestro sistema solar forman escudos magnéticos.

"El hidrógeno metálico es la forma más abundante de materia en nuestro sistema planetario, "dice Mohamed Zaghoo, investigador asociado de la LLE. "Es una pena que no lo tengamos naturalmente aquí en la tierra, pero en Júpiter, hay océanos de hidrógeno metálico. Queremos descubrir cómo estos océanos dan lugar al enorme campo magnético de Júpiter ". Zaghoo y Gilbert 'Rip' Collins, profesor de ingeniería mecánica y de física y director del programa de física de alta densidad de energía de Rochester, estudió la conductividad del hidrógeno metálico para desentrañar aún más los misterios del efecto dínamo, el mecanismo que genera campos magnéticos en los planetas, incluida la Tierra. Publicaron sus hallazgos en el Diario astrofísico .

Creando hidrógeno metálico en el Lle

Cada elemento actúa de manera diferente bajo una presión y temperatura intensas. Calentando agua, por ejemplo, genera un gas en forma de vapor de agua; congelarlo crea hielo sólido. El hidrógeno es normalmente un gas, pero a altas temperaturas y presiones, las condiciones que existen dentro de planetas como Júpiter, el hidrógeno adquiere las propiedades de un metal líquido y se comporta como un conductor eléctrico.

Aunque los científicos teorizaron durante décadas sobre la existencia de hidrógeno metálico, era casi imposible de crear en la Tierra. "Las condiciones para crear hidrógeno metálico son tan extremas que, aunque el hidrógeno metálico es abundante en nuestro sistema solar, solo se ha creado en unos pocos lugares en la tierra, "Dice Zaghoo." El LLE es uno de esos lugares ".

En el LLE, Los investigadores utilizan el potente láser OMEGA para disparar pulsos a una cápsula de hidrógeno. El láser incide en la muestra, desarrollar una alta presión, condición de alta temperatura que permite que los átomos de hidrógeno fuertemente unidos se rompan. Cuando esto pasa, el hidrógeno se transforma de su estado gaseoso a un estado líquido brillante, muy parecido al elemento mercurio.

Comprender el efecto dínamo

Al estudiar la conductividad del hidrógeno metálico, Zaghoo y Collins pueden construir un modelo más preciso del efecto dínamo, un proceso en el que la energía cinética de los fluidos conductores en movimiento se convierte en energía magnética. Los gigantes gaseosos como Júpiter tienen una dínamo muy poderosa, pero el mecanismo también está presente en las profundidades de la Tierra, en el núcleo exterior. Esta dínamo crea nuestro propio campo magnético, hacer que nuestro planeta sea habitable protegiéndonos de las partículas solares dañinas. Los investigadores pueden mapear el campo magnético de la tierra, pero, porque la tierra tiene una corteza magnética, los satélites no pueden ver lo suficiente en nuestro planeta para observar la dínamo en acción. Júpiter, por otra parte, no tiene barrera contra la corteza. Esto hace que sea relativamente más fácil para los satélites, como la sonda espacial Juno de la NASA, actualmente en órbita alrededor de Júpiter, para observar las estructuras profundas del planeta, Collins dice. "Es muy humillante poder caracterizar uno de los estados más interesantes de la materia, hidrógeno metálico líquido, aquí en el laboratorio, utilizar este conocimiento para interpretar datos satelitales de una sonda espacial, y luego aplicar todo esto a los planetas extrasolares ".

Zaghoo y Collins centraron su investigación en la relación entre el hidrógeno metálico y el inicio de la acción de la dínamo, incluida la profundidad donde se forma la dínamo de Júpiter. Descubrieron que es probable que la dínamo de gigantes gaseosos como Júpiter se origine más cerca de la superficie, donde el hidrógeno metálico es más conductor, que la dínamo de la Tierra. Estos datos, combinado con revelaciones de Juno, se puede incorporar en modelos simulados que permitirán una imagen más completa del efecto dínamo.

"Parte del mandato de la misión Juno era tratar de comprender el campo magnético de Júpiter, "Dice Zaghoo." Una pieza complementaria clave de los datos de Juno es cuán conductor es el hidrógeno a diferentes profundidades dentro del planeta. Necesitamos incorporar esto en nuestros modelos para poder hacer mejores predicciones sobre la composición y evolución actual del planeta ".

Una mejor comprensión de los planetas de nuestro propio sistema solar también proporciona más información sobre el blindaje magnético de los exoplanetas fuera de nuestro sistema solar, y puede ayudar a determinar la posibilidad de vida en otros planetas. Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que los planetas con campos magnéticos son más capaces de sostener atmósferas gaseosas y, por lo tanto, es más probable que alberguen vida. Dice Zaghoo. "La teoría del dínamo y los campos magnéticos son condiciones clave de habitabilidad. Hay cientos de exoplanetas descubiertos fuera de nuestro sistema solar cada año y creemos que muchos de estos planetas son como Júpiter y Saturno. No podemos ir a estos planetas todavía," pero podemos aplicar nuestro conocimiento sobre los supergigantes en nuestro propio sistema solar para hacer modelos de cómo podrían ser estos planetas ".