Pesquisadores e colaboradores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), da Universidade da Califórnia, EUA, usaram laser para analisar o ferro existente no interior dos exoplanetas. Um emulador serviu de base para determinar experimentalmente a curva de fusão de alta pressão e propriedades estruturais de ferro puro até 1.000 GPa (quase 10.000.000 atmosferas), três vezes a pressão do núcleo interno da Terra e quase quatro vezes mais pressão do que qualquer experimento anterior.

Concepção de um artista da seção transversal de uma superterra com a câmara alvo do NIF sobreposta sobre o manto, olhando para o núcleo. Crédito: John Jett/LLNL.

Segundo o estudo publicado na Science, foram feitos diversos experimentos que emulam as condições observadas por uma parcela de ferro descendo em direção ao centro de um núcleo superterra – denominação pela qual é conhecido qualquer planeta extrassolar com uma massa maior que a massa da Terra mas menor que a massa dos gigantes gasosos do sistema solar.

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Os experimentos foram alocados como parte do programa Discovery Science, do National Ignition Facility (NIF), que tem acesso público e está disponível para todos os pesquisadores.

“A riqueza pura de ferro dentro dos interiores de planetas rochosos torna necessário entender as propriedades e a resposta do ferro nas condições extremas dentro dos núcleos de planetas mais massivos semelhantes à Terra”, disse Rick Kraus, físico da LLNL e principal autor do artigo. “A curva de fusão de ferro é fundamental para entender a estrutura interna, a evolução térmica, bem como o potencial para magnetosferas geradas por dínamo”.

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Exoplanetas superterras enfrentam altas pressão e temperatura

Acredita-se que a magnetosfera seja um componente importante de planetas terrestres habitáveis, como na Terra. A magnetodinâmica da Terra é gerada no núcleo externo de ferro líquido envolto ao redor do núcleo interno de ferro sólido e é alimentado pelo calor latente liberado durante a solidificação do metal.

Com a proeminência do ferro em planetas terrestres, propriedades físicas resistentes à pressão e temperatura extremas são necessárias para prever o que está acontecendo dentro de seus interiores. 

Uma propriedade de primeira ordem de ferro é o ponto de fusão, que ainda é debatido para as condições do interior da Terra. A curva de derretimento é a maior transição reológica que um material pode sofrer, de um material com força a um sem. É onde um sólido se transforma em um líquido, e a temperatura depende da pressão do ferro.

Com os experimentos, a equipe determinou o comprimento da ação do dínamo durante a solidificação do núcleo para a estrutura hexagonal de perto dentro de exoplanetas superterras.

“Descobrimos que exoplanetas terrestres com quatro a seis vezes a massa da Terra terão os dínamos mais longos, que fornecem proteção importante contra a radiação cósmica”, disse Kraus.

“Além de nosso interesse em entender a habitabilidade dos exoplanetas, a técnica que desenvolvemos para o ferro será aplicada a materiais mais programaticamente relevantes no futuro, incluindo o Programa de Administração de Estoques”, revelou.

Segundo Krauss, a curva de derretimento é uma restrição incrivelmente sensível em uma equação do modelo de estado. A equipe também obteve evidências de que a cinética da solidificação em condições tão extremas são rápidas, levando apenas nanossegundos para a transição de um líquido para um sólido, permitindo que a equipe observe o limite da fase de equilíbrio. 

“Essa visão experimental está melhorando nossa modelagem da resposta material dependente do tempo para todos os materiais”, disse Kraus.

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