Descubren que núcleos rocosos y atmósferas de hidrógeno se mezclan completamente en exoplanetas

La investigación, realizada mediante simulaciones de dinámica molecular impulsadas por la teoría del funcional de densidad, demuestra que los silicatos y el hidrógeno pueden mezclarse completamente en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura que probablemente existen en estos planetas.

Los sub-Neptunos y súper-Tierras, que son los tipos de planetas más abundantes en la galaxia, tienen radios entre los de la Tierra y Neptuno. Según el estudio, la miscibilidad entre el núcleo y la envoltura se debe a extensas reacciones químicas entre el hidrógeno y los silicatos, que producen silano, monóxido de silicio (SiO) y especies de agua.

"La miscibilidad núcleo-envoltura afecta profundamente la evolución de los sub-Neptunos y súper-Tierras, al disolver una gran fracción del hidrógeno del planeta en el núcleo y impulsar el intercambio de hidrógeno entre el núcleo y la envoltura a medida que el planeta evoluciona", señala el estudio publicado en Nature.

Los investigadores utilizaron el método de coexistencia de fases para estudiar la reacción entre el fluido de hidrógeno y un líquido de composición MgSiO3, considerado representativo de la porción rocosa de los planetas. Las simulaciones mostraron que, por encima de cierta temperatura crítica, se forma un único fluido homogéneo estable, en lugar de mantenerse dos fases separadas.

Los resultados contradicen estudios previos que habían subestimado significativamente la solubilidad entre estos materiales. Mientras estimaciones anteriores sugerían una solubilidad limitada (por ejemplo, 20% molar de H2 en silicato fundido a 2 GPa y 4.000 K), esta nueva investigación encuentra una solubilidad ilimitada en esas condiciones.

A nivel microscópico, los investigadores identificaron el mecanismo de reacción entre las dos fases. Inicialmente, el H2 disminuye a expensas de especies de hidroxilo y agua molecular, mientras aumentan las abundancias de SiO y SiHn. Estas transformaciones se explican mediante reacciones redox que producen especies de silicio reducido (SiO y SiH4) mientras oxidan el hidrógeno.

Los productos de estas reacciones podrían ser observables con el Telescopio Espacial James Webb (JWST). De hecho, el agua ya ha sido detectada en la atmósfera de sub-Neptunos en concentraciones mayores que la metalicidad estelar, y determinar si este enriquecimiento de agua es endógeno (debido a reacciones núcleo-envoltura) o proviene de hielo acretado desde más allá de la línea de nieve es fundamental para comprender el origen de estos planetas.

Las implicaciones de estos hallazgos son significativas para cada etapa de la evolución de los sub-Neptunos, desde la fase de acreción hasta la ebullición y las observaciones actuales de la química atmosférica. Si el planeta mantiene equilibrio químico en la interfaz entre la envoltura y el núcleo, entonces el silicato y el hidrógeno son completamente miscibles en una amplia gama de escenarios evolutivos plausibles.

Esto podría explicar por qué algunos sub-Neptunos retienen más hidrógeno del esperado después de la dispersión del disco protoplanetario, ya que una gran parte del hidrógeno podría estar disuelto en el núcleo rocoso, haciéndolo menos susceptible a la pérdida.

A medida que el planeta se enfría, alterando las condiciones de presión y temperatura en la interfaz núcleo-envoltura, el equilibrio entre las fases ricas en hidrógeno y pobres en hidrógeno evoluciona, lo que lleva a cambios en la partición del hidrógeno entre el núcleo y la envoltura. Esto podría provocar variaciones en la masa de la envoltura y el radio planetario a lo largo del tiempo.

Algunos sub-Neptunos podrían pasar de estados iniciales más calientes que son supercríticos a estados posteriores más fríos que son subcríticos, lo que conduciría a cambios en la composición del núcleo y la envoltura que podrían implicar condensación de silicatos, lluvia, formación de nubes o regiones de inhibición convectiva.

La formación de súper-Tierras también podría verse afectada por la miscibilidad silicato-hidrógeno. Si gran parte del hidrógeno de los sub-Neptunos está disuelto en el núcleo rocoso, este hidrógeno podría ser menos susceptible a perderse durante los procesos de fotoevaporación o pérdida de masa impulsada por el núcleo que transforman sub-Neptunos en súper-Tierras.

Incluso las súper-Tierras que han perdido completamente sus envolturas podrían conservar la huella de la reacción química entre el núcleo y la envoltura, incluido el secuestro de hidrógeno en un núcleo metálico y la producción de agua endógena.

Este estudio representa un avance significativo en nuestra comprensión de la estructura y evolución de los exoplanetas más comunes de la galaxia, y sugiere que los modelos actuales de estos cuerpos celestes necesitan ser revisados para incorporar estos nuevos hallazgos sobre la miscibilidad entre materiales rocosos e hidrógeno.