Una sección a través del interior de Júpiter muestra las capas superiores que se agotan de helio y neón; la fina capa donde las gotas de helio se condensan y caen, y el interior profundo, donde el helio y el neón de nuevo se mezclan con hidrógeno metálico. Crédito: Burkhard / vMilitzer. La lluvia de helio fue propuesta anteriormente para explicar el brillo excesivo de Saturno, un gigante gaseoso como Júpiter, pero con un tercio de su masa.
En Júpiter, sin embargo, científicos de la Universidad de California Berkeley (UC Berkeley) afirman que la lluvia de helio es la mejor manera de explicar la escasez de neón en las capas exteriores del planeta, el más grande del sistema solar. El neón se disuelve en las gotas de lluvia de helio, y cae hacia lo más profundo del interior, donde se re-disuelve agotando la capa superior de ambos elementos, de acuerdo con las observaciones.
"El helio se condensa inicialmente como una niebla en la capa superior, como una nube, y a medida que las gotas son más grandes, caen hacia el interior más profundo", dijo el estudiante post-doctoral Hugh Wilson, co-autor de un informe que aparece esta semana en la revista Physical Review Letters. "El neón se disuelve en el helio y cae con él. Así que nuestro estudio vincula la falta de neón observado en la atmósfera a otro proceso que se propone ahora: la lluvia de helio."
El co-autor de Wilson, Burkhard Militzer, profesor asistente en UC Berkeley de ciencia de la tierra y planetaria y de astronomía, señaló que "la lluvia" -las gotas de agua que caen sobre la Tierra- es una analogía imperfecta de lo que ocurre en la atmósfera de Júpiter. Las gotas de helio se forman cerca de 10.000 a 13.000 por debajo de la parte superior de las nubes de hidrógeno de Júpiter, bajo presiones y temperaturas tan altas que "no se puede saber si el hidrógeno y el helio son un gas o un líquido", dijo . Ellos son todos fluidos, por lo que la lluvia es realmente gotas de helio líquido mezclado con neón cayendo a través de un fluido de hidrógeno metálico.
La predicción de los investigadores ayudará a refinar los modelos del interior de Júpiter y los interiores de otros planetas, según Wilson. El modelado de los interiores planetarios se ha convertido en un área de investigación caliente desde el descubrimiento de cientos de planetas extrasolares que viven en ambientes extremos alrededor de otras estrellas. El estudio también será relevante para la misión de la NASA Juno a Júpiter, que está programada para ser lanzada el próximo año.
Militzer y Wilson se encuentran entre los modeladores, usando la "teoría de la densidad funcional" para predecir las propiedades del interior de Júpiter, específicamente lo que ocurre con los componentes dominantes -hidrógeno y helio- a medida que las temperaturas y las presiones aumentan hacia el centro del planeta. Estas condiciones son todavía demasiado extremas para ser reproducidas en el laboratorio. Incluso los experimentos en células de yunque de diamante sólo pueden producir presiones como en el núcleo de la Tierra. En 2008, las simulaciones por computadora conducidas por Militzer llevaron a la conclusión de que el núcleo rocoso de Júpiter está rodeado por una gruesa capa de metano, agua y amoníaco helados, dos veces mayor que las predicciones anteriores.
Los dos modeladores se embarcaron en su investigación actual, debido a un descubrimiento realizado por la sonda Galileo, que descendió a través de la atmósfera de Júpiter en 1995 y envió nuevas mediciones de temperatura, presión y abundancia de los elementos, hasta que fue aplastada por el peso de la atmósfera. Todos los elementos parecían ser tan ligeramente enriquecidos en comparación con la abundancia en el sol -que se supone que es similar a la abundancia de los elementos 4.560 millones años atrás, cuando se formó el sistema solar- a excepción de helio y neón. El neón se destacó porque era una décima parte tan abundante como lo es en el sol.
Sus simulaciones mostraron que la única manera en que el neón se podría eliminar de la atmósfera superior es hacer que caigan con helio, ya que helio y neón se mezclan fácilmente, como el alcohol y el agua. Los cálculos de Militzer y Wilson indican que alrededor de 10.000 a 13.000 kilómetros en el interior del planeta, donde la temperatura es de unos 5.000 grados centígrados y la presión es de 1 a 2 millones de veces la presión atmosférica en la Tierra, el hidrógeno se convierte en un material conductor. El helio, que todavía no es un metal, no se mezcla con el hidrógeno metálico, por lo que forma gotas, como gotas de aceite en agua.
Esto proporcionó una explicación para la eliminación del neón de la atmósfera superior.
"A medida que el helio y el neón caen más profundo en el planeta, la envoltura restante rica en hidrógeno, se agota poco a poco tanto de neón como de helio," dijo Militzer. "Las concentraciones de ambos elementos están cuantitativamente de acuerdo con nuestros cálculos".
La lluvia de helio de Saturno fue predicha debido a una observación diferente: Saturno es más caliente de lo que debería ser, en función de su edad y la tasa pronosticada de enfriamiento. La caída de la lluvia libera calor que explica la diferencia.
La temperatura de Júpiter está de acuerdo con los modelos de su velocidad de enfriamiento y de su edad, y no necesitaba la hipótesis de lluvia de helio hasta el descubrimiento del agotamiento de neón en la atmósfera. Curiosamente, el teórico David Stevenson, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), predijo el agotamiento de neón en Júpiter antes de las mediciones de la sonda Galileo, pero nunca publicó la razón para tener esas sospechas.
Este trabajo fue apoyado por la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias, con las supercomputadoras proporcionadas por el National Energy Research Scientific Computing Center en el Lawrence Berkeley National Laboratory.
El artículo, ahora en línea, en la revista Physical Review Letters, está programado para aparecer en la edición impresa del 26 de marzo.
Traducido de:
Helium rain on Jupiter explains lack of neon in atmosphere
Más información en:
• Juno: la próxima gran misión de la NASA a Júpiter
• Sequestration of Noble Gases in Giant Planet Interiors
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