A miles de kilómetros bajo la superficie de la Tierra, bajo presiones aplastantes y temperaturas abrasadoras, se puede encontrar el núcleo del planeta. Allí, un núcleo interno que consiste en una bola sólida de níquel y hierro está súper rotando dentro del núcleo externo, donde el hierro y el níquel son fluidos.
Las condiciones de este núcleo externo ahora se han recreado en un laboratorio, por un equipo dirigido por el físico Sébastien Merkel de la Universidad de Lille en Francia, de tal manera que los científicos han podido observar la deformación estructural del hierro.
Esto no solo tiene implicaciones para comprender nuestro propio planeta, sino que también puede ayudarnos a comprender mejor lo que sucede cuando chocan trozos de hierro en el espacio.
“No creamos las condiciones del núcleo interno”, dijo la física Arianna Gleason del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía de los Estados Unidos. “Pero logramos las condiciones del núcleo exterior del planeta, lo cual es realmente notable”.
En condiciones normales de la Tierra, la estructura cristalina del hierro es una celosía cúbica. Los átomos están dispuestos en una cuadrícula, con átomos en la esquina de cada cubo y uno en el centro. Cuando el hierro se comprime bajo presiones extremadamente altas, esta red cambia de forma, deformándose en una estructura hexagonal. Esto permite empaquetar más átomos en el mismo volumen de espacio.
Pero es difícil saber qué sucede a presiones y temperaturas aún más altas, como las del núcleo de la Tierra. En los últimos años, sin embargo, la tecnología láser ha avanzado hasta el punto en que, en entornos de laboratorio, pequeñas muestras pueden ser sometidas a condiciones extremas, como las presiones y temperaturas que se encuentran en las estrellas enanas blancas.
El equipo de SLAC desplegó dos láseres. El primero fue un láser óptico, disparado a una muestra microscópica de hierro, sometiéndola a un choque que generó una intensa presión y calor.
El núcleo exterior de la Tierra tiene presiones que oscilan entre 135 y 330 Gigapascales (1,3 a 3,3 millones de atmósferas) y temperaturas entre 4.000 y 5.000 Kelvin (3.727 a 4.727 grados Celsius, o 6.740 a 8.540 grados Fahrenheit. La muestra se sometió a hasta 187 Gigapascales). de presión y temperaturas de hasta 4070 Kelvin.
La siguiente parte, y posiblemente más desafiante, fue medir la estructura atómica del hierro durante este proceso. Para ello, el equipo utilizó el láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, que sondeó la muestra mientras el láser óptico se disparaba.
“Pudimos realizar una medición en una mil millonésima de segundo”, Gleason dijo. “Congelar los átomos donde están en ese nanosegundo es realmente emocionante”.
Las imágenes resultantes, compiladas en una secuencia, revelaron que el hierro responde al estrés adicional inducido por estas condiciones por el hermanamiento. Esto es cuando una red cristalina se comprime tanto que algunos de los puntos de la red se vuelven compartidos por múltiples cristales de manera simétrica.
(S. Merkel / Universidad de Lille, Francia)
Para el hierro en las condiciones del núcleo terrestre exterior, esto significa que la disposición atómica se empuja de modo que las formas hexagonales giran casi 90 grados. Este mecanismo, dijeron los investigadores, permite que el metal resista las extremidades.
“El hermanamiento permite que el hierro sea increíblemente fuerte, más fuerte de lo que pensamos al principio, antes de que comience a fluir plásticamente en escalas de tiempo mucho más largas”. Gleason dijo.
Ahora que sabemos cómo se comporta el hierro en tales condiciones, esta información se puede incorporar a modelos y simulaciones. Esto tiene importantes implicaciones para la forma en que entendemos las colisiones espaciales, por ejemplo. El núcleo de la Tierra está cuidadosamente escondido dentro de un planeta, pero hay asteroides altamente metálicos que creemos que son los núcleos desnudos y expuestos de planetas cuya formación se interrumpió.
Estos objetos pueden sufrir colisiones con otros objetos que pueden deformar la estructura del hierro que contienen. Ahora tenemos una mejor idea de cómo sucede esto. Y, por supuesto, ahora sabemos un poco más sobre nuestro propio planeta.
“El futuro es brillante ahora que hemos desarrollado una forma de realizar estas mediciones”, Gleason dijo.
“Ahora podemos aprobar algunos de los modelos físicos para mecanismos de deformación realmente fundamentales. Eso ayuda a desarrollar parte de la capacidad predictiva que nos falta para modelar cómo responden los materiales en condiciones extremas”.
La investigación ha sido publicada en Cartas de revisión física.
.