Per più di tre decenni, la struttura interna e l'evoluzione di Urano e Nettuno sono state oggetto di dibattito tra gli scienziati. Data la loro distanza dalla Terra e il fatto che solo pochi veicoli spaziali robotici li hanno studiati direttamente, ciò che accade all'interno di questi giganti di ghiaccio è ancora un mistero. Al posto di prove dirette, gli scienziati hanno fatto affidamento su modelli ed esperimenti per replicare le condizioni nei loro interni.
Ad esempio, è stato teorizzato che all'interno di Urano e Nettuno, le condizioni di estrema pressione comprimono idrogeno e carbonio in diamanti, che poi sprofondano all'interno. Grazie ad an sperimentare condotta da un team internazionale di scienziati, questa 'pioggia di diamanti' è stata ricreata per la prima volta in condizioni di laboratorio, dandoci il primo assaggio di come potrebbero essere le cose all'interno dei giganti di ghiaccio.
Lo studio che dettaglia questo esperimento, intitolato “ Formazione di diamanti in idrocarburi compressi con laser in condizioni interne planetarie “, apparso di recente sulla rivistaAstronomia della natura.Guidati dal Dr. Dominik Kraus, un fisico del Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf Istituto di fisica delle radiazioni , il team comprendeva membri del Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC e il Lawrence Livermore National Laboratory e UC Berkeley.
Urano e Nettuno, i pianeti giganti di ghiaccio del Sistema Solare. Credito: Wikipedia Commons
Per decenni, gli scienziati hanno sostenuto che l'interno di pianeti come Urano e Nettuno è costituito da nuclei solidi circondati da una densa concentrazione di 'ghiacci'. In questo caso, il ghiaccio si riferisce a molecole di idrogeno collegate a elementi più leggeri (ad esempio carbonio, ossigeno e/o azoto) per creare composti come acqua e ammoniaca. In condizioni di pressione estrema, questi composti diventano semisolidi, formando “melma”.
E a circa 10.000 chilometri (6214 mi) sotto la superficie di questi pianeti, si pensa che la compressione degli idrocarburi crei diamanti. Per ricreare queste condizioni, il team internazionale ha sottoposto un campione di plastica di polistirene a due onde d'urto utilizzando un intenso laser ottico al Materia in condizioni estreme (MEC), che hanno poi abbinato agli impulsi a raggi X degli SLAC Sorgente luminosa coerente Linac (LCL).
Come Dr. Kraus, il capo di a Helmholtz Young Investigator Group all'HZDR, spiegato in un HZDR comunicato stampa :
“Finora, nessuno è stato in grado di osservare direttamente queste docce scintillanti in un ambiente sperimentale. Nel nostro esperimento, abbiamo esposto un tipo speciale di plastica, il polistirene, che consiste anche in una miscela di carbonio e idrogeno, a condizioni simili a quelle all'interno di Nettuno o Urano».
La plastica in questo esperimento simulava composti formati da metano, una molecola costituita da un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno. È la presenza di questo composto che conferisce sia a Urano che a Nettuno la loro distinta colorazione blu. Negli strati intermedi di questi pianeti, forma anche catene di idrocarburi che vengono compresse in diamanti che potrebbero avere un peso di milioni di carati.
La hutch MEC della LCLS Far Experiement Hall di SLAC. Credito: SLAC National Accelerator Laboratory
Il laser ottico impiegato dal team ha creato due onde d'urto che simulavano accuratamente le condizioni di temperatura e pressione negli strati intermedi di Urano e Nettuno. Il primo shock era più piccolo e più lento, ed è stato poi superato dal secondo shock più forte. Quando si sono sovrapposti, la pressione ha raggiunto il picco e iniziano a formarsi piccoli diamanti. A questo punto, il team ha sondato le reazioni con impulsi a raggi X dal LCLS.
Questa tecnica, nota come diffrazione dei raggi X, ha permesso al team di vedere la formazione di piccoli diamanti in tempo reale, cosa necessaria poiché una reazione di questo tipo può durare solo frazioni di secondo. Come Siegfried Glenzer, professore di scienza dei fotoni allo SLAC e coautore dell'articolo, spiegato :
“Per questo esperimento, abbiamo avuto LCLS, la sorgente di raggi X più brillante al mondo. Hai bisogno di questi intensi e veloci impulsi di raggi X per vedere senza ambiguità la struttura di questi diamanti, perché si formano in laboratorio solo per un tempo così breve”.
Alla fine, il team di ricerca ha scoperto che quasi ogni atomo di carbonio nel campione di plastica originale era incorporato in piccole strutture a diamante. Sebbene abbiano misurato solo pochi nanometri di diametro, il team prevede che su Urano e Nettuno i diamanti sarebbero molto più grandi. Nel tempo, ipotizzano che questi potrebbero affondare nelle atmosfere dei pianeti e formare uno strato di diamante attorno al nucleo.
La struttura interna di Nettuno. Credito: Istituto di fisica e tecnologia di Mosca
In studi precedenti, i tentativi di ricreare le condizioni all'interno di Urano e Nettuno hanno avuto un successo limitato. Sebbene abbiano mostrato risultati che indicavano la formazione di grafite e diamanti, i team che li hanno condotti non sono stati in grado di acquisire le misurazioni in tempo reale. Come notato, le temperature e le pressioni estreme che esistono all'interno dei giganti di gas/ghiaccio possono essere simulate in laboratorio solo per periodi di tempo molto brevi.
Tuttavia, grazie a LCLS - che crea impulsi a raggi X un miliardo di volte più luminosi rispetto agli strumenti precedenti e li emette a una velocità di circa 120 impulsi al secondo (ognuno della durata di appena quadrilionesimi di secondo) - il team scientifico è stato in grado di misurare direttamente la reazione chimica per la prima volta. Alla fine, questi risultati sono di particolare importanza per gli scienziati planetari specializzati nello studio di come si formano ed evolvono i pianeti.
Come ha spiegato Kraus, potrebbe portare a ripensare la relazione tra la massa di un pianeta e il suo raggio e portare a nuovi modelli di classificazione dei pianeti:
“Con i pianeti, la relazione tra massa e raggio può dire agli scienziati molto sulla chimica. E la chimica che avviene all'interno può fornire ulteriori informazioni su alcune delle caratteristiche distintive del pianeta... Non possiamo entrare nei pianeti e guardarli, quindi questi esperimenti di laboratorio completano le osservazioni satellitari e telescopi».
Questo esperimento apre anche nuove possibilità per la compressione della materia e la creazione di materiali sintetici. I nanodiamanti hanno attualmente molte applicazioni commerciali – ad esempio medicina, elettronica, attrezzatura scientifica, ecc. – e crearli con i laser sarebbe molto più conveniente e sicuro rispetto ai metodi attuali (che coinvolgono gli esplosivi).
Anche la ricerca sulla fusione, che si basa anche sulla creazione di condizioni di pressione e temperatura estreme per generare energia in abbondanza, potrebbe trarre vantaggio da questo esperimento. Inoltre, i risultati di questo studio offrono un suggerimento allettante su come appaiono i nuclei dei pianeti massicci. Oltre ad essere composti da roccia silicatica e metalli, i giganti del ghiaccio possono anche avere uno strato di diamante al confine tra nucleo e mantello.
Supponendo che un giorno possiamo creare sonde di super-materiali sufficientemente forti, non varrebbe la pena esaminarlo?
Ulteriori letture: SLAC , HZDR , Astronomia della natura