Água superiônica: o gelo negro que pode explicar os campos magnéticos caóticos de Urano e Netuno

Água superiônica – um tipo de gelo quente, escuro e eletricamente condutor que não surge naturalmente na Terra – foi sintetizada em laboratório e examinada em detalhes, oferecendo novas pistas sobre a origem dos campos magnéticos desordenados de Urano e Netuno.

Água superiônica: da hipótese à evidência experimental

Desde as medições realizadas pela sonda Voyager 2, nos anos 1980, cientistas suspeitavam que estruturas exóticas de gelo estivessem por trás da distribuição incomum dos campos magnéticos em Urano e Netuno. Os dados apontavam para linhas de força desalinhadas em relação ao eixo de rotação e para fortes variações de intensidade. Modelos computacionais sugeriam que a água superiônica, submetida a pressões e temperaturas extremas, poderia gerar essas anomalias. Faltava, porém, confirmar em laboratório como exatamente o material se organiza em nível atômico.

O que é a água superiônica e onde ela se forma

Em condições cotidianas, a água muda entre sólido, líquido e vapor. Sob pressões de milhões de atmosferas e temperaturas de milhares de kelvin, ela se comporta de forma radicalmente diferente. Nesse regime, átomos de oxigênio estabelecem uma rede cristalina rígida, enquanto prótons de hidrogênio migram livremente entre os espaços da malha. O resultado é um “gelo” com aspecto escuro, capaz de conduzir eletricidade quase como um metal. Nos gigantes gelados do Sistema Solar, essas condições predominam a milhares de quilômetros abaixo da superfície, indicando que o estado superiônico pode preencher vastas camadas internas.

Como o experimento recriou a água superiônica em laboratório

Para transformar água líquida comum nesse material extremo, a equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, nos Estados Unidos, e da Universidade Sorbonne, na França, confiou em duas etapas críticas. Primeiro, amostras microscópicas foram colocadas entre bigornas de diamante e comprimidas até alcançar aproximadamente 1,8 milhão de atmosferas – pressões equivalentes às do interior de Urano. Em seguida, pulsos de laser elevaram a temperatura para cerca de 2.500 kelvin, provocando a transição para o estado superiônico.

A fase gerada permanece estável por frações de segundo antes de se desintegrar. Para capturar esse instante, os cientistas iluminaram a amostra com feixes de raios X de alta energia e registraram o padrão de difração. Esse método revela a posição dos átomos e a simetria dos cristais formados, sem depender de medições indiretas.

Estrutura cristalina irregular da água superiônica e suas implicações

Modelos prévios previam que a água superiônica se organizasse em um único retículo cúbico bem comportado. Porém, as imagens obtidas mostraram algo muito diferente: um mosaico de regiões cúbicas intercaladas com porções de arranjo hexagonal. Esse padrão híbrido ressalta que múltiplas fases cristalinas podem coexistir num mesmo volume, sem transições nítidas. Ensaios repetidos em outro acelerador, na Alemanha, confirmaram a observação e descartaram artefatos instrumentais.

Adicionalmente, à medida que a pressão foi elevada acima de 1,8 milhão de atmosferas, surgiram ainda mais variações estruturais. As redes coexistentes indicam que a condução elétrica interna pode flutuar localmente, um cenário que favorece a formação de campos magnéticos instáveis. A irregularidade cristalina, portanto, surge como peça-chave para compreender por que as linhas de campo em Urano e Netuno se deslocam e mudam de intensidade com tamanha complexidade.

Relação entre água superiônica e os campos magnéticos de Urano e Netuno

Campos magnéticos planetários nascem de correntes elétricas em repousos de fluidos condutores. Em planetas rochosos, como a Terra, o ferro fundido no núcleo metálico gera um campo relativamente alinhado ao eixo de rotação. Já nos gigantes de gelo, o cenário interno inclui espessas camadas de água superiônica, onde prótons móveis criam trajetórias elétricas irregulares. A multiplicidade de subredes cristalinas documentada pelo novo estudo sugere que essas trajetórias não seguem padrões uniformes, resultando em campos magnéticos que emergem e se reconfiguram de modo caótico.

Os autores do trabalho ressaltam que o ambiente de laboratório reproduz apenas porções das pressões e temperaturas presentes no interior planetário, e por tempos extremamente curtos. Mesmo assim, o comportamento observado fornece uma referência experimental valiosa para atualizar simulações e comparar com dados obtidos por missões espaciais passadas e futuras.

Por que a água superiônica pode ser comum no universo

Observatórios de trânsito e velocidade radial apontam que planetas similares a Urano e Netuno compõem uma fatia expressiva dos exoplanetas já catalogados. Se essas massas de gelo representarem um padrão em outros sistemas estelares, a água superiônica deverá existir em grandes quantidades além do Sistema Solar. Esse fato amplia o conceito de “água” no contexto astrobiológico: embora essencial à vida conhecida, a substância pode assumir formas que de pouco lembram o líquido que preenche oceanos terrestres.

O estudo, publicado na revista Nature Communications, reforça a importância de investigar fases exóticas de compostos rotineiros. Cada novo dado sobre a organização atômica de materiais sob condições extremas ajuda a decifrar características observáveis – como magnetismo, forma e densidade – de mundos distantes.

Os pesquisadores planejam repetir os ensaios em pressões ainda mais altas, aproximando-se dos valores estimados para as camadas mais profundas de Urano e Netuno, na expectativa de mapear outras possíveis transições estruturais da água superiônica.