Cientistas observaram pela primeira vez como os átomos do óxido de magnésio se transformam e derretem sob condições extremamente severas, fornecendo novos insights sobre este mineral crucial no manto da Terra, conhecido por influenciar a formação de planetas. Experimentos com laser de alta energia — que submeteram pequenos cristais do mineral ao tipo de calor e pressão encontrados no fundo do manto de um planeta rochoso — sugerem que o composto pode ser o primeiro mineral a se solidificar de oceanos de magma na formação de exoplanetas “super-Terra”. “O óxido de magnésio pode ser o sólido mais importante controlando a termodinâmica das jovens super-Terras,” disse June Wicks, professora assistente de Ciências da Terra e Planetárias na Universidade Johns Hopkins, que liderou a pesquisa. “Se ele tem essa temperatura de fusão muito alta, seria o primeiro sólido a cristalizar quando um planeta rochoso quente começa a esfriar e seu interior se separa em um núcleo e um manto.”
Elas sugerem que a maneira como o óxido de magnésio transita de uma forma para outra pode ter implicações importantes para os fatores que controlam se um planeta jovem será uma bola de neve ou uma rocha derretida, desenvolverá oceanos de água ou atmosferas, ou terá uma mistura dessas características. “Nas super-Terras terrestres, onde esse material será um grande componente do manto, sua transformação vai contribuir significativamente para a rapidez com que o calor se move no interior, o que vai controlar como o interior e o resto do planeta se formam e deformam ao longo do tempo. “Podemos pensar nisso como um proxy para os interiores desses planetas, porque vai ser o material que controla sua deformação, um dos blocos de construção mais importantes dos planetas rochosos.” Maiores que a Terra, mas menores que gigantes como Netuno ou Urano, as super-Terras são alvos-chave nas buscas por exoplanetas porque são comumente encontradas em outros sistemas solares na galáxia.
Embora a composição desses planetas possa variar de gás a gelo ou água, espera-se que super-Terras rochosas contenham quantidades significativas de óxido de magnésio que podem influenciar o campo magnético do planeta, o vulcanismo e outras geofísicas importantes, assim como na Terra. Para imitar as condições extremas que este mineral pode sustentar durante a formação do planeta, a equipe de Wicks submeteu pequenas amostras a pressões ultra-altas usando a instalação de laser Omega-EP no Laboratório de Energética de Laser da Universidade de Rochester. Os cientistas também dispararam raios-X e registraram como esses raios de luz refletiam dos cristais para rastrear como seus átomos se rearranjavam em resposta ao aumento das pressões, observando especificamente em que ponto eles se transformavam de um sólido para um líquido. Quando espremidos extremamente, os átomos de materiais como o óxido de magnésio mudam sua disposição para sustentar as pressões esmagadoras.
É por isso que o mineral transita de uma fase de sal-gema, semelhante ao sal de cozinha, para uma configuração diferente, como a de outro sal chamado cloreto de césio, à medida que a pressão aumenta. Isso resulta em uma transformação que pode afetar a viscosidade do mineral e seu impacto em um planeta à medida que ele amadurece. Os resultados da equipe mostram que o óxido de magnésio pode existir em ambas as fases sob pressões que variam de 430 a 500 gigapascais e temperaturas em torno de 9.700 Kelvin, quase duas vezes mais quente que a superfície do sol. Os experimentos também mostram que as maiores pressões que o mineral pode suportar antes de derreter completamente são superiores a 600 gigapascais, cerca de 600 vezes a pressão que se sentiria nas trincheiras mais profundas do oceano. “O óxido de magnésio derrete a uma temperatura muito mais alta do que qualquer outro material ou mineral. Os diamantes podem ser os materiais mais duros, mas este é o que vai derreter por último.
“Quando se trata de materiais extremos em planetas jovens, o óxido de magnésio provavelmente vai estar sólido, enquanto tudo o mais que estiver por lá no manto vai ser transformado em líquido.” O estudo destaca a estabilidade e simplicidade do óxido de magnésio sob pressões extremas e pode ajudar os cientistas a desenvolver modelos teóricos mais precisos para investigar questões-chave sobre o comportamento deste e de outros minerais em mundos rochosos como a Terra. “O estudo é uma carta de amor ao óxido de magnésio, porque é incrível que ele tenha o ponto de fusão mais alto que conhecemos — em pressões além do centro da Terra — e ainda se comporte como um sal comum,” disse Wicks. “É apenas um sal bonito e simples, mesmo nessas pressões e temperaturas recordes.”