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Em Netuno, uma fábrica de diamantes

Equipe internacional de pesquisadores desvenda o funcionamento interno dos gigantes cósmicos de gelo

Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
“Chuvas de diamantes” estão se formando no planetas gigantes e gelados do Sistema Solar. É o que sugere uma pesquisa feitas por estudiosos do laboratório Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da Alemanha, em cooperação com mais pesquisadores alemães e norte-americanos. Utilizando o laser de raio X ultra-forte e outros aparelhos no Centro de Aceleração Linear de Stanford (SLAC, na sigla em inglês) na Califórnia, eles simularam as condições encontradas nos gigantes cósmicos. O estudo permitiu observar, pela primeira vez, a fissão de hidrocarbonetos e a conversão de carbono em diamantes em tempo real. Seus resultados foram publicados na revista científica Nature Astronomy.

O interior de planetas como Netuno ou Urano consiste em um núcleo sólido envolvo em camadas espessas de “gelo”, composto em sua maior parte de hidrocarbonetos, água e amônia. Há muito tempo, astrofísicos especulam que a pressão extrema que pode ser encontrada a profundidades de 10 mil quilômetros abaixo da superfície divide os hidrocarbonetos, fazendo com que se formem diamantes que depois mergulham ainda mais para o interior. “Por enquanto, ninguém conseguiu observar diretamente essas chuvas brilhantes em um ambiente experimental”, diz Dominik Kraus, líder do Grupo Helmholtz Júnior de Pesquisa no HZDR. Este foi exatamente o avanço alcançado agora por Kraus e sua equipe internacional: “Em nosso experimento, expusemos um tipo especial de plástico - poliestireno, também uma mistura de carbono e hidrogênio - a condições similares àquelas encontradas dentro de Netuno e Urano.”

Ondas de choque carregando através da amostra

Eles fizeram isso passando duas ondas de choque pelas amostras, desencadeadas por um laser óptico extremamente poderoso combinado com a fonte de raio-X Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC. A uma pressão de cerca de 150 gigapascals e temperaturas ao redor de 5000°C, comprimiram o plástico. "A primeira onda, mais pequena e mais lenta, é superada pela segunda onda, mais forte", explica Dominik Kraus. "A maioria dos diamantes se forma no momento em que ambas as ondas se sobrepõem." E como esse processo leva apenas uma fração de segundo, os pesquisadores usaram a difração de raios X ultra-rápidos para tirar fotografias instantâneas da criação dos diamantes e dos processos químicos envolvidos. "Nossos experimentos mostram que quase todos os átomos de carbono são compactados em diamantes de tamanho nanométrico", resume o pesquisador de Dresden.

Com base nesses resultados, os autores do estudo assumem que os diamantes em Netuno e Urano são estruturas muito maiores e provavelmente se afundam no núcleo do planeta ao longo de um período de milhares de anos. "Nossos experimentos também estão nos fornecendo visões melhores sobre a estrutura dos exoplanetas", antecipa Kraus. Pesquisadores podem medir duas métricas principais nesses gigantes cósmicos fora do nosso Sistema Solar: o primeiro é a massa, com base em mudanças posicionais da estrela-mãe; o outro é seu raio, derivado da sombra que é lançada à medida que o planeta passa em frente a uma estrela. A relação entre essas duas medidas oferece pistas sobre a composição química do planeta - como, por exemplo, se é composta de elementos leves ou pesados.

"E, por sua vez, esses processos químicos dentro do planeta nos dizem algo sobre suas propriedades vitais", continua Kraus. "Isso nos permite melhorar os modelos planetários. Como nossos estudos mostram, as simulações anteriores não foram precisas." Além dos conhecimentos astrofísicos, esses experimentos também têm potencial para aplicações práticas. Os nanodiamantes criados podem ser utilizados em instrumentos eletrônicos, procedimentos médicos ou como materiais de corte na produção industrial. A produção atual desses diamantes é feita principalmente por jateamento. A produção feita com laser pode vir a ser um processo mais limpo e controlável.

Os pesquisadores do HZDR e do SLAC foram acompanhados por cientistas da Universidade da Califórnia em Berkeley, do Laboratória Nacional Lawrence Livermore, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, do Centro GSI Helmholtz de Pesquisas sobre Íons Pesados, da Universidade de Osaka, da Universidade Técnica de Darmstadt, do Laser Elétrons Livres de Raio-X (XFEL, na sigla em inglês) Europeu, da Universidade de Michigan e da Universidade de Warwick.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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