Sabemos bastante sobre la superficie de Marte, hemos recogido muestras de asteroides y observamos galaxias nacidas cuando el universo apenas comenzaba. Sin embargo, el centro de nuestro propio planeta continúa siendo un territorio prácticamente inalcanzable. No existe una perforadora capaz de atravesar miles de kilómetros de roca, soportar temperaturas comparables a la superficie del Sol y regresar con un fragmento del núcleo bajo el brazo.
Un equipo internacional acaba de acercarse a ese lugar sin necesidad de perforar la Tierra. Utilizando láseres de enorme potencia, diagnósticos ultrarrápidos de rayos X y simulaciones atómicas, los investigadores midieron por primera vez la resistencia dinámica del hierro en condiciones próximas a las del núcleo interno. El trabajo, publicado en Nature Communications, contó con la participación de científicos del CONICET y de la Universidad de Mendoza.
La expresión “resistencia dinámica” puede sonar abstracta, pero se refiere, en términos sencillos, a la capacidad de un material para resistir una deformación rápida. No es exactamente la dureza que se mediría presionando lentamente una pieza de metal en un laboratorio. Aquí el hierro fue comprimido y deformado a velocidades extraordinarias, en una fracción minúscula de segundo.
Recrear el núcleo terrestre dentro de un laboratorio
El núcleo interno comienza a más de 5.000 kilómetros bajo nuestros pies. Allí, la presión se sitúa aproximadamente entre 330 y 365 gigapascales, equivalente a más de tres millones de veces la presión atmosférica en la superficie. Las estimaciones de temperatura varían entre unos 4.350 y 6.550 kelvin, aunque la cifra exacta sigue siendo objeto de investigación.
El estudio consiguió llevar las muestras de hierro a presiones de entre 310 y 430 gigapascales y temperaturas de entre 3.700 y 5.800 kelvin. Son condiciones que se aproximan mucho más al interior profundo de la Tierra que las alcanzadas simultáneamente por experimentos anteriores dedicados a estudiar las propiedades mecánicas del hierro.
Para lograrlo, los investigadores recurrieron al National Ignition Facility, situado en el Lawrence Livermore National Laboratory, en Estados Unidos. Esta instalación es conocida por albergar algunos de los sistemas láser más potentes del planeta y por haber sido diseñada originalmente para investigaciones relacionadas con la física de altas densidades de energía y la fusión nuclear.
Los pulsos láser comprimieron pequeñas muestras monocristalinas de hierro siguiendo una secuencia cuidadosamente controlada. Una primera onda de choque hizo que el material atravesara una transición estructural, mientras una compresión posterior elevó la presión y la temperatura hasta aproximarlas a las del núcleo terrestre. Al mismo tiempo, la radiografía de rayos X permitió observar cómo crecían unas ondulaciones introducidas deliberadamente en la muestra.
El método se apoya en la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, un fenómeno que aparece cuando un material menos denso acelera contra otro más denso. La forma en que esas ondulaciones crecen o quedan frenadas permite inferir cuánto se resiste el hierro a fluir y deformarse.
El hierro no se comportó igual en todas las direcciones
El resultado más llamativo fue que la resistencia final dependía de la orientación inicial de los cristales. Las muestras preparadas en una determinada dirección alcanzaron resistencias de entre 11 y 20 gigapascales, mientras que las orientadas de otra manera se situaron entre 8 y 18 gigapascales. Esa diferencia fue contraria a la tendencia que suele observarse en condiciones ambientales.
No se trataba simplemente de que un cristal estuviera mejor colocado frente al golpe. Bajo semejantes presiones, el hierro cambia de fase: sus átomos abandonan una estructura cúbica y adoptan una organización hexagonal más compacta. El proceso no ocurre de manera limpia ni uniforme. Genera defectos, texturas y nuevas orientaciones microscópicas que terminan condicionando cómo se deforma el material.
Para comprenderlo, el equipo combinó los experimentos con simulaciones hidrodinámicas y modelos de dinámica molecular capaces de seguir el movimiento de los átomos. En estas simulaciones participaron Orlando Deluigi y Eduardo Bringa, del CONICET y el Grupo de Simulaciones en Materiales, Astrofísica y Física de la Universidad de Mendoza, junto con Carlos Ruestes, de la Universidad Politécnica de Madrid. Los cálculos realizados en Mendoza habían anticipado el comportamiento que posteriormente apareció en los experimentos.
Las simulaciones reprodujeron la diferencia de resistencia entre las dos orientaciones y mostraron que surgía durante la transformación de fase y la posterior deformación plástica del hierro. El análisis también situó la viscosidad del material entre aproximadamente 100 y 170 pascales-segundo bajo las condiciones generadas por el experimento.
Una nueva pista para interpretar las ondas sísmicas
El núcleo interno terrestre es sólido y está compuesto principalmente por hierro, acompañado por níquel y elementos más ligeros. Sin embargo, las ondas sísmicas no lo atraviesan con la misma velocidad en todas las direcciones. En general, viajan de manera diferente según su trayectoria respecto al eje de rotación del planeta, un fenómeno conocido como anisotropía sísmica.
La orientación preferente de los cristales de hierro es una de las explicaciones propuestas para esa diferencia. El nuevo experimento demuestra que la microestructura y la historia de transformación del material pueden modificar significativamente su resistencia. Esto aporta un dato necesario para construir modelos más realistas del núcleo y para interpretar las señales sísmicas que llegan hasta la superficie.
Comprender mejor esas velocidades podría, a largo plazo, ayudar a ajustar los modelos empleados para localizar terremotos y estimar su magnitud. No significa que este experimento vaya a cambiar por sí solo los sistemas de alerta sísmica, pero sí reduce una de las incertidumbres relacionadas con la forma en que las ondas atraviesan las regiones más profundas del planeta.
El vínculo con el campo magnético terrestre
El campo magnético se origina principalmente por el movimiento del hierro líquido y conductor en el núcleo externo. Ese océano metálico funciona como una enorme dinamo planetaria, alimentada por la rotación terrestre, la convección y los intercambios de calor y composición que se producen en el interior.
El núcleo interno sólido no genera por sí solo todo el campo, pero influye en el proceso. Su crecimiento libera calor y elementos ligeros hacia la capa líquida que lo rodea, mientras que su resistencia y viscosidad condicionan el acoplamiento mecánico, térmico y químico entre ambas regiones. Determinar cómo responde el hierro a las tensiones extremas permite afinar los modelos del geodínamo que mantiene el escudo magnético de la Tierra.
Existe, eso sí, una diferencia gigantesca entre el laboratorio y el planeta. En el experimento, el hierro se deformó a velocidades de entre un millón y cien millones de veces por segundo. En el núcleo terrestre, los cambios ocurren con una lentitud geológica, a ritmos estimados de entre 10⁻¹⁸ y 10⁻¹⁴ por segundo. Los propios autores reconocen esta brecha y presentan sus mediciones como una base experimental para desarrollar modelos que conecten ambas escalas, no como una réplica perfecta de la evolución del núcleo.
La importancia del trabajo va más allá de nuestro planeta. El hierro es uno de los elementos pesados más abundantes del universo y forma parte de los núcleos de numerosos mundos rocosos, planetesimales y asteroides. Conocer su comportamiento extremo también puede ayudar a reconstruir colisiones planetarias y a estimar cómo evolucionan los interiores de cuerpos que jamás podremos perforar.
Por unos pocos nanosegundos, una pequeña muestra sometida a láseres hizo algo extraordinario: permitió observar cómo podría responder el hierro escondido en el centro de la Tierra. No abrió una ventana física hacia el núcleo, pero sí construyó algo bastante parecido dentro de un laboratorio.
