En 1981, el científico Marvin Ross de la Universidad de California publicó un provocativo artículo en la prestigiosa revista Nature. En él, Ross desafió las ideas existentes sobre la composición química de Urano y Neptuno y entusiasmó a la comunidad científica con la hipótesis de que dentro de ambos planetas hay un núcleo, cuyas capas exteriores consisten en diamante puro. Ross acuñó la frase «diamantes en el cielo» en el título del artículo. Cuarenta años después, la evidencia de un paisaje de diamantes en el interior de los gigantes helados proviene de todas partes. Y no sólo el paisaje. Según los cálculos, en las profundidades de Urano y Neptuno comúnmente aparecen lluvias de este cristal tan apreciado. La historia de estas lluvias es, por un lado, una historia sobre las condiciones físicas extremas que prevalecen en las profundidades de Urano y Neptuno y, por otro lado, sobre una molécula muy especial, el hidrocarburo más sencillo: metano.
Urano y Neptuno están hubicados en el borde mismo del Sistema Solar. Ambos se parecen mucho, por lo que muchos los llaman gemelos. Ambos están rodeados de atmósferas densas que contienen la cantidad justa de metano para darles su distintiva apariencia azul. Las fotografías de la misión espacial Voyager 2 y los observatorios terrestres han revelado la presencia de enormes nubes blancas y manchas negras en las atmósferas de ambos planetas.
Figura 1: Fotografías de Urano (izquierda) y Neptuno (derecha) tomadas por la misión Voyager 2 en la década de los 80. Fuente: NASA.
Urano y Neptuno son clasificados como planetas gigantes gaseosos, al igual que Júpiter y Saturno. Sin embargo, en las últimas décadas ha quedado claro que ambos planetas azules tienen propiedades muy particulares, por lo que los astrónomos decidieron clasificarlos como gigantes helados. Dado que no podemos observar sus interiores de manera directa, todas las conclusiones sobre lo que sucede en las profundidades de ambos planetas se basan en modelos teóricos y experimentos de laboratorio. Debido a que los dos tienen estructura interna similar, nos vamos a limitar solamente a de Neptuno.
En primera aproximación, los científicos dividen Neptuno en tres regiones: un núcleo sólido, un manto líquido y una atmósfera gaseosa. Esta última representa entre 5 y 10% de la masa total del planeta y esta está dividida en dos capas principales: la troposfera y la estratosfera. Al igual que en la Tierra, la temperatura en la troposfera disminuye al aumentar la altitud. Esta es la capa más baja del planeta que aun se puede observar con telescopios.
Como Neptuno no tiene una superficie sólida, esta está definido como la capa donde la presión atmosférica es igual a la presión a nivel del mar, es decir, 1 bar. Según esta definición, la troposfera se extiende desde una profundidad de 300 kilómetros por debajo de la superficie de Neptuno hasta una altura de 50 kilómetros. A estas altitudes, la presión atmosférica disminuye de 100 bar a 0.2 bar. En la troposfera de Neptuno a menudo aparecen nubes, cuya composición química cambia con la altitud. A mayores profundidades donde la presión atmosférica es hasta cinco veces mayor que la del nivel del mar en nuestro planeta, las nubes consisten en amoníaco, sulfuro de amoníaco, sulfuro de hidrógeno y agua. Un poco más arriba se encuentran las nubes de amoníaco y sulfuro de hidrógeno, mientras que las nubes de metano flotan en las capas superiores de la troposfera.
Figura 2: Gran mancha oscura en Neptuno. Fuente: NASA.
Por encima de la troposfera se encuentra la estratosfera, cuya principal característica es que su temperatura aumenta con la altura. La estratosfera se extiende hasta una altura de 4000 kilómetros sobre la superficie del planeta. En ella se forman nieblas como resultado de la condensación de etano y etino, dos hidrocarburos que contienen dos átomos de carbono. Estas moléculas se producen como resultado de la fotólisis del metano, es decir, una reacción química en la que la luz ultravioleta del Sol primero rompe las moléculas de metano en átomos de carbono e hidrógeno, que luego se recombinan formando compuestos ligeramente más complejos.
Debajo de la troposfera, la temperatura y la presión de Neptuno aumentan gradualmente. Los modelos matemáticos predicen que en el centro del núcleo del planeta, que probablemente consiste en hierro, níquel y silicatos, la presión sube a 7 megabar y la temperatura a 5500 Kelvin. Un megabar es una presión un millón de veces superior a la del nivel del mar. En comparación, siete megabar es aproximadamente el doble de la presión en el centro de la Tierra, y la temperatura de 5500 Kelvin es comparable a la del núcleo de nuestro planeta y a la superficie del Sol. El núcleo de Neptuno contiene solo alrededor del 3.5 % de la masa total del planeta. Así, la mayor parte de la materia se encuentra en el manto, que se sitúa entre el núcleo y la atmósfera.
El manto de Neptuno contiene una cantidad de materia que equivale a alrededor de 10 masas terrestres. Esta región contiene grandes cantidades de agua, amoníaco y metano. Tal mezcla se llama hielo, aunque en realidad es muy caliente. Debido a la alta presión y temperatura, este material se encuentra en un estado supercrítico, que no es ni gas ni líquido. En la literatura científica, a menudo se llama a esta mezcla el océano de agua y amoníaco. Pero esta es solo una descripción superficial, porque los científicos opinan que las moléculas de agua en las capas superiores del manto se descomponen en oxígeno e iones de hidrógeno, y en las profundidades, debido al aumento de la presión, el oxígeno se solidifica en un cristal, mientras que el hidrógeno permanece líquido.
A unos 7.000 kilómetros por debajo de la superficie de Neptuno, la temperatura y la presión son lo suficientemente altas como para que las moléculas de metano se desintegren en átomos de carbono e hidrógeno. Posteriormente, el carbono presumiblemente se solidifica en pequeños cristales: diamantes, que luego llueven hacia el núcleo.
Pero, ¿cómo obtienen los científicos el conocimiento sobre cómo es el interior de los gigantes de hielo? Después de todo, las imágenes tomadas con telescopios modernos pueden penetrar como máximo 300 kilómetros adentro de estos planetas.
Los científicos encontraron la respuesta a esta pregunta en experimentos de laboratorio. El Dr. Ross escribió en su artículo que la presión y la temperatura en las capas inferiores del manto de Urano y Neptuno en aquel tiempo se estimaban en 6 megabar y 7000 Kelvin. Para las capas exteriores del manto, que bordean la atmósfera, estas cantidades se estimaban en 0.2 megabar y 2200 Kelvin. Los resultados de otro estudio científico publicado por Ross y sus colegas en 1980 mostraron que bajo estas últimas condiciones, las moléculas de metano se desintegran en átomos individuales y que a una presión ligeramente superior, el carbono se «congela» en diamante.
Figura 3: Nubes en Neptuno. Fuente: NASA.
Mucho más tarde, en 2010, un grupo de científicos dirigido por el Dr. Guoying Gao de la Universidad de Jilin en China publicó un artículo en el que estudió con más de detalle el comportamiento del metano a una temperatura de cero Kelvin y bajo una presión extrema. Los científicos han llegado a la conclusión de que el metano se vuelve inestable incluso a una presión de 950,000 bares. Esta molécula primero se descompone en átomos, que entonces se combinan para formar moléculas de etano, que es un hidrocarburo con dos átomos de carbono. A una presión mayor aún, 1.58 megabar, los átomos de metano desintegrados deberían comenzar a formar gas butano, que consta de cuatro átomos de carbono. Según los autores, la presión requerida para la formación de diamantes es de 2.87 megabar.
Como ya sabemos, temperatura dentro de los gigantes helados, no es igual a cero Kelvin. Para obtener resultados más fiables, los científicos necesitaban experimentos de laboratorio que se llevaran a cabo en condiciones mucho más similares a las de Neptuno y Urano. Esto lo logró un grupo de científicos liderado por Dominik Kraus, del Centro de Investigación Helmholtz Dresden-Rossendorf en Alemania. Estos autores basaron su descubrimiento en hallazgos de otro grupo liderado por Sergey Lobanov, quien encontró que en presencia de altas temperaturas, el metano se derrite y luego forma hidrocarburos complejos. Kraus y sus colegas utilizaron este hecho y apuntaron dos láseres extremadamente potentes, uno de luz visible y otro de rayos X, a una muestra de poliestireno, un plástico especial compuesto de carbono e hidrógeno. Como resultado, el poliestireno se calentó a 5,000 Kelvin y se sometió a una presión de 1.5 megabar, las condiciones que existen a 10,000 kilómetros por debajo de la superficie de Neptuno y Urano. En solo una fracción de segundo, el poliestireno se desintegró y comenzaron a formarse pequeños diamantes con unos cuantos nanómetros de diámetro.
Otro grupo de científicos dirigido por Hirokaz Kadobayashi realizó un experimento similar en Japón en 2021, pero con una diferencia importante. Este grupo apuntó un potente láser a una mezcla de metano y agua, cuya composición está más cercana a la del manto de los gigantes helados. El polvo de diamante comenzó a formarse a una temperatura de 3800 Kelvin y a una presión de «solo» 0.45 megabar. Esto significa que los diamantes de Neptuno y Urano también podrían formarse en las capas exteriores de sus mantos.
Finalmente, hay que mencionar el resultado de un grupo de científicos chinos liderado por Bingqing Cheng, quienes publicaron un artículo en 2022 en el que sugieren que pequeñas diferencias en las condiciones que prevalecen en el interior de Neptuno y Urano tienen un gran impacto en la formación de diamantes en ambos planetas. Así, en Urano, la concentración de carbono no debería alcanzar los valores necesarios para la formación de diamantes, mientras que en Neptuno sí. De esta manera, se supone que los diamantes caen desde las capas exteriores del manto de Neptuno hacia su núcleo, liberando energía en forma de calor. Y, según los autores, es precisamente este fenómeno que podría explicar el enigma que ha intrigado a los astrónomos durante décadas. A diferencia de Urano, Neptuno emite unas 2.5 veces más calor del que recibe del Sol. El origen de este calor sigue siendo un misterio para los astrónomos hasta el día de hoy. Cheng y sus colegas proponen que los diamantes son el combustible que calienta a Neptuno e impulsa los fenómenos meteorológicos en su atmósfera.
Por supuesto, los científicos realizarán muchos más experimentos de laboratorio y cálculos matemáticos complejos en el futuro. Adicionalmente, los astrónomos han estado proponiendo durante años una misión espacial que visitaría ambos gigantes helados para estudiarlos de cerca. Esto debería suceder en pronto, ya que Júpiter, Urano y Neptuno se alinearán a principios de la próxima década, lo que acortaría en gran medida el tiempo de viaje de una misión espacial. La fecha límite para lanzar una misión a Neptuno será en 2031, mientras que para Urano esto podría suceder unos años más tarde. Veremos qué deciden las grandes agencias espaciales. ¡Mantengamos los dedos cruzados!
Lecturas adicionales para los más curiosos
- Ross, M., Ree, F. H. (1980) Repulsive forces of simple molecules and mixtures at high density and temperature. The Journal of Chemical Physics, 73 (12). 6146-6152 doi:10.1063/1.440106
- Ross, M. The ice layer in Uranus and Neptune—diamonds in the sky?. Nature 292, 435–436 (1981). https://doi.org/10.1038/292435a0
- Guoying Gao, Artem R. Oganov, Yanming Ma, Hui Wang, Peifang Li, Yinwei Li, Toshiaki Iitaka, and Guangtian Zou, “Dissociation of methane under high pressure”, J. Chem. Phys. 133, 144508 (2010) https://doi.org/10.1063/1.3488102
- Lobanov, S. S. et al. Carbon precipitation from heavy hydrocarbon fluid in deep planetary interiors. Nat. Commun. 4, 2446 (2013).
- Kraus, D., Vorberger, J., Pak, A. et al. Formation of diamonds in laser-compressed hydrocarbons at planetary interior conditions. Nat Astron 1, 606–611 (2017). https://doi.org/10.1038/s41550-017-0219-9
- Kadobayashi, H., Ohnishi, S., Ohfuji, H. et al. Diamond formation from methane hydrate under the internal conditions of giant icy planets. Sci Rep 11, 8165 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-87638-5
- Bingqing Cheng, Sebastien Hamel, and Mandy Bethkenhagen, Diamond formation from hydrocarbon mixtures in planets, arXiv:2207.02927v1
- Uranus, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Uranus
- Neptune, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Neptune
- Atmosphere of Uranus, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Uranus
- NASA Completes Study of Future ‘Ice Giant’ Mission Concepts, https://www.nasa.gov/feature/nasa-completes-study-of-future-ice-giant-mission-concepts
- Astronomers Make the Case for a Mission to Neptune and Uranus, https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/astronomers-make-the-case-for-a-mission-to-neptune-and-uranus-d438f4d6d75c
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