La temperatura y la presión dentro de Júpiter van desde aproximadamente -100 ° C cerca del borde hasta aproximadamente 15, 000 ° C y 50 m veces la presión atmosférica de la Tierra en el medio. Saturno, Urano y Neptuno son ollas a presión similares. Mientras descendemos a Júpiter, podemos ver materia en estado gaseoso, en estado líquido y en otro, estado menos conocido, llamado el estado de "fluido supercrítico".

Comprender los fluidos supercríticos no solo es importante para los científicos planetarios, también se utiliza en procesos industriales como la generación de energía y el procesamiento de alimentos.

Cuando hervimos agua en la Tierra, cambia de "fase" pasando de un estado líquido a un estado gaseoso. Esto se debe a un cambio repentino y dramático en la densidad y otras propiedades llamadas "transición de fase". Sin embargo, si exprimiste agua a 1, 000 veces la presión atmosférica y luego se calienta mientras se mantiene la presión, ya no observaría la ebullición como tal. Las moléculas de agua zumbarían con más energía, y la densidad iría bajando gradualmente, pero no habría una ebullición repentina (transición de fase). Esto es lo que constituye el estado de fluido supercrítico:no es ni un líquido ni un gas.

Exactamente cómo se comportan los líquidos y los fluidos supercríticos ha hecho que los científicos se rasquen la cabeza durante décadas. Pero una nueva investigación ha arrojado luz sobre este problema, generando esperanzas de que pronto podamos obtener una mejor comprensión de lo que sucede en las profundidades de los planetas gaseosos gigantes.

Los científicos han asumido durante mucho tiempo que los líquidos y los fluidos supercríticos se comportan como gases densos, con moléculas en constante movimiento libre. Pero en la década de 1930, el físico ruso Yakov Ilyich Frenkel cuestionó esta suposición, proponiendo que bajo ciertas condiciones se comportarían en cambio como sólidos (donde los átomos están atascados), excepto que los átomos ocasionalmente saltan de un lugar a otro. Podemos llamar líquidos y fluidos supercríticos en estas condiciones "líquidos densos".

Ignorado durante décadas, este enfoque ha tenido una segunda vida en la última década, ya que se ha utilizado con éxito para predecir la capacidad calorífica de los líquidos. La capacidad calorífica es una propiedad crucial de los líquidos, determinar la forma en que el calor se almacena y fluye alrededor de los planetas, centrales eléctricas y todo lo demás.

Por lo tanto, debe trazarse una línea divisoria (la "línea de Frenkel"), hasta presiones y temperaturas arbitrariamente altas, entre condiciones donde los líquidos densos se comportan de manera similar a los gases, y condiciones en las que el enfoque de Frenkel, asumiendo un comportamiento similar al de los sólidos, es válido. Pero, ¿cómo debería definirse la línea? ¿Qué tan repentino es? Estas preguntas deben abordarse mediante experimentos.

Experimentos poderosos

Este año, Se han publicado dos estudios pioneros en los que esta línea se ha trazado a partir de observaciones. En el primer estudio, Una de las fuentes de luz de sincrotrón más poderosas del mundo (la Fuente de Fotones Avanzados cerca de Chicago) se utilizó para precisar la presión:6, 500 veces la atmósfera de la Tierra, en la que uno de los fluidos modelo más fundamentales, neón supercrítico, comienza a comportarse como un líquido denso según el modelo de Frenkel.

En el segundo estudio, Los datos de otra poderosa fuente de rayos X (la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón en Grenoble) se combinaron con mediciones en mi laboratorio en Manchester para determinar la forma en que los átomos en las moléculas de metano vibran para hacer una observación similar. Descubrimos que el metano comienza a comportarse como un líquido denso a aproximadamente 2, 000 atmósferas de presión.

Descubrimos que una pieza clave de evidencia en el rompecabezas ya estaba en la literatura, que se remonta a 1986; una demostración de que las vibraciones en el metano gaseoso se comportan de manera completamente opuesta a las vibraciones que estamos acostumbrados a ver en líquidos y sólidos densos. Su importancia simplemente no ha sido reconocida.

Nuestro estudio tuvo una ventaja adicional en comparación con el estudio de neón:el metano está en todas partes de nuestro sistema solar. Los gigantes gaseosos Urano y Neptuno están llenos de eso, y quizás comprender el metano responderá a muchos de los misterios que plantean estos planetas. Los científicos planetarios han perdido el sueño durante décadas por cuestiones como cómo cambia la composición a medida que se adentra en Urano y Neptuno y si la superficie de Urano es realmente el lugar más frío del sistema solar.

La esperanza ahora es aplicar estos nuevos resultados en los estados líquido y fluido supercrítico de la materia para responder a estos y otros misterios de larga data.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.