Een nieuwe theoretische methode maakt de weg vrij voor het modelleren van het interieur van de ijsreuzen Uranus en Neptunus, dankzij computersimulaties op het water dat erin zit. Het gereedschap, ontwikkeld door wetenschappers van SISSA in Triëst en de Universiteit van Californië in Los Angeles en onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , maakt het mogelijk om thermische en elektrische processen te analyseren die plaatsvinden onder fysieke omstandigheden die vaak niet experimenteel kunnen worden gereproduceerd, met een veel eenvoudigere en goedkope aanpak.

In dit onderzoek, de geleerden hebben de geleiding van elektriciteit en warmte van water onder extreme temperatuur- en drukomstandigheden geanalyseerd, zoals die voorkomen in ijsreuzenplaneten en in vele exoplaneten daarbuiten. Onderzoek naar de verschijnselen die zich onder hun oppervlak voordoen, in feite, is de sleutel om de evolutie van deze hemellichamen te begrijpen, om hun leeftijd vast te stellen, en om licht te werpen op de geometrie en evolutie van hun magnetische velden.

Microscopische schalen om verhalen van miljarden jaren te vertellen

"Waterstof en zuurstof zijn de meest voorkomende elementen in het heelal, samen met helium. Het is gemakkelijk om te concluderen dat water een van de belangrijkste bestanddelen is van veel hemellichamen. Ganymedes en Europa, satellieten van Jupiter, en Enceladus, satelliet van Saturnus, ijzige oppervlakken waaronder oceanen van water liggen. Neptunus en Uranus bestaan ​​waarschijnlijk ook voornamelijk uit water, " Federico Grasselli en Stefano Baroni, eerste en laatste auteur, leg uit.

"Onze kennis van planetaire interieurs, "De geleerden zeggen, "is gebaseerd op de kenmerken van het aardoppervlak en het magnetische veld, die zelf worden beïnvloed door de fysieke kenmerken van hun interne structuur, zoals het transport van energie, massa en lading door de interne tussenlagen. Daarom hebben we een theoretische en computationele methode ontwikkeld om de thermische en elektrische geleidbaarheid van water te berekenen, in de fasen en omstandigheden die in zulke hemellichamen voorkomen, beginnend met geavanceerde simulaties van de microscopische dynamiek van enkele honderden atomen en het opnemen van de kwantumaard van elektronen zonder verdere ad-hocbenadering. Door de atomaire schaal te simuleren voor fracties van een nanoseconde, we zijn in staat om te begrijpen wat er met enorme massa's is gebeurd op tijdschalen van miljarden jaren."

Ijs, vloeibaar of superionisch:een totaal ander water

De geleerden analyseerden drie verschillende fasen van water:ijs, vloeistof, en superionisch, onder de extreme temperatuur- en drukomstandigheden die kenmerkend zijn voor de interne lagen van deze planeten. Grasselli en Baroni leggen uit:"In zulke exotische fysieke omstandigheden, we kunnen niet aan ijs denken zoals we gewend zijn. Zelfs water is eigenlijk anders, dichter, met verschillende moleculen gedissocieerd in positieve en negatieve ionen, dus met een elektrische lading. Superionisch water ligt ergens tussen de vloeibare en vaste fase:de zuurstofatomen van de H ₂ O-moleculen zijn georganiseerd in een kristallijn rooster, terwijl waterstofatomen vrij diffunderen zoals in een geladen vloeistof." De studie van thermische en elektrische stromen die door het water in deze drie verschillende vormen worden gegenereerd, is essentieel om licht te werpen op veel onopgeloste problemen.

Transport van warmte en elektriciteit om het verleden en heden te begrijpen

De twee wetenschappers stellen ook dat "interne elektrische stromen zich aan de basis van het magnetische veld van de planeet bevinden. Als we begrijpen hoe de eerste stromen, over dat laatste kunnen we nog veel meer leren." En dat niet alleen. "De thermische en elektrische transportcoëfficiënten dicteren de geschiedenis van de planeet, hoe en wanneer het is ontstaan, hoe het is afgekoeld. Het is daarom cruciaal om ze te analyseren met de juiste tools, zoals degene die we hebben ontwikkeld. Vooral, de warmtegeleidingseigenschappen die uit ons onderzoek naar voren komen, stellen ons in staat te veronderstellen dat het bestaan ​​van een bevroren kern de abnormaal lage helderheid van Uranus kan verklaren als gevolg van een extreem lage warmtestroom van het binnenste naar het oppervlak."

Verder, de gevonden elektrische geleidbaarheid voor de superionische fase is veel groter dan werd aangenomen in eerdere modellen van magnetische veldopwekking in Uranus en Neptunus. Aangezien wordt gedacht dat superionisch water de dichte en trage planetaire lagen domineert onder het convectieve vloeistofgebied waar hun magnetisch veld wordt gegenereerd, dit nieuwe bewijs zou een grote impact kunnen hebben op de studie van de geometrie en evolutie van de magnetische velden van de twee planeten.