Gelo negro e quente pode explicar o magnetismo intenso de Netuno.

Dentro dos núcleos dos planetas conhecidos como Gigantes de Gelo, a pressão e a temperatura atingem níveis tão extremos que a água ali presente muda para um estado que não aparece naturalmente nas condições da Terra.

Esse estado recebe o nome de água superiônica e, embora seja uma forma de gelo, não se parece com o gelo comum: é quente e tem aparência escura, quase negra.

Por décadas, pesquisadores suspeitaram que a água superiônica no interior de Netuno e Urano estivesse por trás dos campos magnéticos intensos, irregulares e desalinhados que a sonda Voyager 2 registrou ao sobrevoar esses dois mundos.

Experimentos com água superiônica: por que os campos de Netuno e Urano são tão estranhos?

Uma sequência de experimentos relatada em um artigo publicado no periódico Comunicações da Natureza por Leon Andriambariarijaona e colegas, do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC e da Sorbonne, trouxe evidências laboratoriais para explicar o mecanismo: esse “gelo” pode ser muito mais desorganizado do que os modelos tradicionais previam - e essa bagunça ajuda a entender os campos magnéticos incomuns.

Na escola, costuma-se aprender quatro estados da matéria: sólido, líquido, gás e plasma. Porém, sob pressões e temperaturas altíssimas, a água pode entrar na fase superiônica: ela aparenta ser sólida, mas se comporta como uma rede cristalina especial. Nessa rede, os átomos de oxigénio formam a estrutura fixa, enquanto os átomos de hidrogénio se deslocam com liberdade através do arranjo, carregando carga elétrica e, por isso, conduzindo eletricidade.

O cristal “perfeito” que não combinava com a Voyager 2

Durante muito tempo, a ideia dominante era que os oxigénios na água superiônica montariam um cristal praticamente “perfeito”, com uma dessas duas geometrias:

• cúbica de corpo centrado (BCC): átomos no centro do cubo;
• cúbica de faces centradas (FCC): átomos nas faces do cubo.

Ambas sugerem um cristal com limites e padrões bem definidos - exatamente o tipo de estrutura limpa que se espera em materiais cristalinos. O problema é que essa elegância teórica não casava com o que se observou em Netuno e Urano: o magnetismo medido era irregular, com aparência “acidentada” e caótica, difícil de conciliar com uma única estrutura cristalina bem comportada.

Diante disso, a saída foi testar a água superiônica diretamente em laboratório e verificar se a hipótese do retículo cristalino “certinho” se sustentava.

Como fabricar água superiônica (por alguns trilionésimos de segundo)

Produzir água superiônica não é trivial. Ela só existe em condições extremas e, se pressão ou temperatura caírem, a amostra retorna rapidamente a formas mais estáveis de água.

Para atingir pressões enormes, os cientistas recorreram a uma ferramenta especializada: a bigorna de diamante - na prática, duas delas. Ao comprimir uma amostra de água entre duas pontas de diamante (um dos materiais mais duros conhecidos), o grupo elevou a pressão até cerca de 1,8 milhão de atmosferas.

Em seguida, eles aqueceram a amostra com pulsos de laser até aproximadamente 2.500 K. Nesse ponto, a água superiônica foi criada.

O desafio seguinte era “olhar” para o cristal antes que ele desaparecesse. Como a estrutura se desmancha assim que as condições mudam, os pesquisadores dispararam raios X na amostra em poucos trilionésimos de segundo após atingir pressão e temperatura adequadas.

Difração de raios X e a surpresa: retículos borrados e misturados

A difração de raios X é uma técnica clássica para investigar estruturas cristalinas - uma forma de inferir rapidamente a posição dos átomos. Só que, quando os dados foram analisados, o padrão observado não encaixou bem na teoria do cristal ideal.

Em vez de um retículo nítido e único, a estrutura apareceu como uma mistura de “linhas borradas”, com camadas apresentando organização FCC e outras exibindo um arranjo diferente, a estrutura hexagonal compacta (HCP).

Quando a equipa executou os testes inicialmente na Califórnia, os resultados pareceram tão confusos que a hipótese mais prudente foi atribuir aquilo a algum tipo de ruído ambiental ou erro experimental. Para eliminar essa possibilidade, eles buscaram apoio de outro acelerador linear na Alemanha, reduzindo a chance de que o padrão fosse um artefacto específico do local ou do equipamento.

Os dados alemães, porém, repetiram o mesmo comportamento. A conclusão tornou-se difícil de evitar: o “caos” não era um erro de medição - era uma característica real da água superiônica produzida nas condições do experimento.

Transições menos “limpas” do que o previsto

Ao variar pressão e temperatura ao longo de novos testes, o grupo notou ainda um detalhe importante: conforme a pressão aumentava, surgiam sinais de retículos sobrepostos. Isso contraria a expectativa anterior de uma fronteira bem marcada, na qual a rede cristalina “saltaria” de um tipo para outro em uma transição claramente definida.

No conjunto, o resultado aponta para a água superiônica como um material de comportamento altamente complexo - e essa complexidade oferece uma explicação plausível para a natureza torta e desalinhada dos campos magnéticos de Netuno e Urano.

O que isso diz (e o que ainda não diz) sobre os Gigantes de Gelo

É importante frisar: criar essas fases por alguns femtossegundos não reproduz perfeitamente o interior de um Gigante de Gelo ao longo de milhões ou milhares de milhões de anos. É possível que, com tempo suficiente, o material se reorganize e estabilize em padrões mais rígidos. Também é possível que a instabilidade vista no laboratório persista de modo irregular e aleatório em grandes volumes dentro dos próprios planetas.

Um ponto adicional ajuda a ligar o laboratório à astronomia: campos magnéticos planetários dependem de movimento de material condutor (um “dínamo” interno). Se a água superiônica conduz eletricidade e, ao mesmo tempo, apresenta estruturas e transições desordenadas, isso pode favorecer correntes elétricas e fluxos internos mais complexos - um cenário compatível com magnetismos menos simétricos do que os de planetas como a Terra.

Outra implicação prática é para modelos de formação e estrutura planetária. Se a água superiônica alterna entre arranjos e camadas, as propriedades físicas (como condutividade, viscosidade e resposta ao calor) podem variar dentro do planeta. Isso afeta como simulamos a evolução térmica de Netuno e Urano e, por extensão, como estimamos o que ocorre em muitos mundos semelhantes fora do Sistema Solar.

Talvez a água mais comum da galáxia (mesmo sem aparecer na Terra)

Embora nunca vejamos esse tipo de água surgir naturalmente na superfície terrestre, o facto de ela compor o interior de Gigantes de Gelo sugere algo intrigante: essa variedade de gelo pode, na prática, ser uma das formas de água mais abundantes na galáxia.

Os Gigantes de Gelo representam uma fração considerável dos exoplanetas conhecidos. Ainda assim, isso pode refletir um viés observacional: por serem grandes e por ocuparem órbitas que favorecem a detecção, eles se destacam mais nos métodos atuais de caça a exoplanetas - o que não necessariamente significa que sejam maioria em termos absolutos.

De todo modo, é um dado científico curioso (e relevante) perceber que a água - substância essencial para a vida na Terra - pode existir em tantas versões e em tantos ambientes diferentes.

Este artigo foi originalmente publicado pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.