¿Por qué disparan a un diamante con el láser más potente?

El material más duro de la naturaleza fue comprimido por el "láser más grande del mundo" para observar y registrar cómo reacciona a una presión tan extrema como la que hay en Saturno.

El cristal de carbono fue sometido a la presión del núcleo del planeta de los anillos: 14 veces mayor a la que hay en el centro de la Tierra.

Tamaña acción se llevó a cabo dentro de la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos (NIF), un lugar que recientemente fue escenario de la película "Star Trek en la oscuridad".

Y el fin de algo que parece de ciencia ficción es conocer mejor las condiciones que imperan en el interior de planetas gigantes ricos en carbono, según se explica en un estudio publicado en la revista científica "Nature".

"No sabemos lo que hay en el núcleo de Júpiter o Saturno pero ahora por primera vez tenemos la capacidad de estudiar cómo existe la materia bajo estas condiciones extremas de presión y temperatura", dijo Ray Smith, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, y autor principal de este trabajo.

"Nuestros experimentos ofrecen un método para recrear las condiciones dentro de los núcleos de planetas gaseosos gigantes, dentro de nuestro sistema solar y más allá".

"Se ha propuesto, por ejemplo, que Neptuno tiene diamante en su núcleo, debido a la descomposición del metano que se compacta bajo la presión extrema".

"La misión espacial Kepler ha observado que los planetas del tamaño de Neptuno son muy comunes e nuestra galaxia".

Una cámara cinematográfica

Los planetas y estrellas que vemos en el cielo nocturno fueron formados por fuerzas gravitacionales poderosas que aplastaron y unieron sus átomos constitutivos. Según estiman los científicos, las presiones extremas en sus núcleos pueden causar cambios dramáticos en las propiedades de la materia.

Pero replicar estos ambientes alienígenas en la Tierra es un desafío tremendo para la ciencia.

Por eso se eligió la instalación NIF, que fue construida para estudiar la fusión nuclear de confinamiento inercial, que intenta iniciar reacciones de fusión nuclear calentando y comprimiendo un combustible.

En ella hay 192 láseres que se utilizan para bombardear a los materiales con energía, y su cámara se hizo famosa por aparecer como el reactor principal de la nave Enterprise en la película de Star Trek.

Los investigadores estadounidenses usaron el láser de NIF para comprimir carbono. Para ello apuntaron 176 rayos láser a un diamante de escala milimétrica, ubicado en el centro de una esfera de aluminio de 10m.

"El desafío de nuestro experimento era mantener las temperaturas lo suficientemente bajas como para ser relevantes en planetas gigantes gaseosos como Júpiter", le explicó Smith a la BBC.

"Conseguimos esto al ajustar con mucho cuidado el ritmo según el cual cambia la intensidad del láser con el tiempo. El problema es similar a mover un arado tan despacio como para que la arena se desplace hacia adelante sin acumularse en altura".

Condiciones extremas

La energía combinada de los láseres (0,76 megajulios o MJ) creó olas de presión en el diamante, y lo comprimió a cinco terapascales (50 millones de atmósferas), una presión similar a la del centro de Saturno.

"El diamante, el material menos comprimible de todos los conocidos, aquí ha sido comprimido a una densidad sin precedentes, más que la del plomo", escriben los autores en "Nature".

A medida que aumentaba la presión, los científicos medían el estrés, la densidad y el sonido del cristal de carbono.

Y estos datos, dicen los científicos, ahora pueden ser "comparados con teorías utilizadas durante mucho tiempo para describir la materia presente en el interior de planetas gigantes y estrellas".

A estos extremos, se prevén una serie de transiciones en las que el carbono se vuelve más denso que en su forma de diamante.

"Es interesante que estos experimentos no detectaron ninguna de estas transiciones, que pueden haber sido eliminadas o postergadas mediante un mecanismo aún desconocido", dijo Chris Pickard, de la universidad College London.

"En general, sin embargo, la coincidencia entre los resultados de los cálculos teóricos y el experimento es buena, así que es probable que la teoría esté sobre terreno firme".

Cómo se formaron los planetas

Comprender las condiciones en Júpiter – si su núcleo es sólido o líquido – ayudará a resolver algunas discusiones sobre cómo se formó el planeta. "Hay dos modelos estándar", le dijo Smith a la BBC.

"El modelo del crecimiento del núcleo sugiere que Júpiter estaba inicialmente formado por un cuerpo con una masa 10 veces mayor que la de la Tierra que tenía suficiente atracción gravitacional como para atrapar y acumular la gruesa atmósfera de hidrógeno que observamos hoy".

"Otro modelo, el de la inestabilidad gigante, propone que estos planetas gigantes se formaron debido a inestabilidades de densidad que provocaron fluctuaciones gravitacionales y eventualmente la agrupación de hidrógeno gaseoso, es decir, que se formaron sin necesidad de un núcleo".

Más allá del Sistema Solar, hay evidencia de que algunos exoplanetas pueden tener diamantes en lo profundo de su interior, como 55 Cancri e, apodado el "planeta diamante".

"Nuestra información ayudará a determinar si estos planetas son ricos en carbono", dijo Smith. 

Sin embargo, Pickard es cauteloso. "Los planetas se formaron en muchos millones de años, mientras que el procedimiento de compresión dinámica se acaba en un flash", expresó en "Nature".

"No está claro si estos experimentos, a pesar de alcanzar temperaturas y presiones relevantes, son capaces de modelar las rocas y hielos densos y enormemente equilibrados que existen en los planetas gigantes".