STUDIATA LA CONDUTTIVITA' TERMICA DELL'IDROGENO

Lastra ai raggi X dei pianeti gassosi

Un gruppo di ricercatori ha effettuato test di laboratorio per studiare la composizione chimica di pianeti come Saturno e Giove. E' stato utilizzato l'X-ray laser FLASH del centro di ricerca Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) per bombardare molecole di idrogeno liquido freddo, simili a quelle già trovate nell'atmosfera dei giganti gassosi

Il gigante gassoso Saturno catturato dalla sonda Cassini-Huygens dell'ESA. Crediti: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Il gigante gassoso Saturno catturato dalla sonda Cassini-Huygens dell’ESA. Crediti: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

L’astrofisica non si pratica solo guardando le stelle e i pianeti col naso all’insù, puntando i telescopi verso il cielo notturno o elaborando complessi modelli computerizzati. Molti ricercatori effettuano anche esami di laboratorio testando, sperimentando e ricreando in ambienti asettici le condizioni che troverebbe una sonda in orbita attorno a un pianeta. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Jena, in Germania, ha infatti, utilizzato l’X ray laser FLASH del centro di ricerca Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) per studiare la parte più bassa dell’atmosfera di giganti gassosi come Saturno e Giove. Le osservazioni in laboratorio hanno fornito informazioni sulla conducibilità termica dell’idrogeno (se scaldato diventa plasma) e sullo scambio di energia interna nei pianeti. Ulf Zastrau, primo autore dello studio che verrà pubblicato venerdì su Physical Review Letters, ha sottolineato che “non abbiamo molte conoscenze in merito all’idrogeno all’interno dei pianeti gassosi”. Come è noto, l’atmosfera di questi pianeti consiste per la maggior parte di idrogeno, che è anche l’elemento più abbondante nell’intero Universo. I ricercatori hanno quindi deciso di utilizzare l’idrogeno liquido freddo (che non esiste naturalmente sulla Terra) come campione dell’atmosfera planetaria, perché “ha una densità che corrisponde proprio agli strati più bassi” dell’involucro dei pianeti. Gli scienziati hanno utilizzato l’X-ray laser FLASH per riscaldare l’idrogeno istantaneamente da -253 a 12.000 Celsius osservando le proprietà dell’elemento durante l’intero procedimento.

Filmato che mostra il getto laser che riscalda il campione di idrogeno liquido. Crediit: Sven Toleikis/DESY

Il getto laser che riscalda il campione di idrogeno liquido. Crediit: Sven Toleikis/DESY

L’idrogeno è il primo, più leggero e semplice elemento chimico della tavola periodica, formato da un singolo protone e un singolo elettrone che gli orbita attorno e normalmente si aggrega come una molecola biatomica, vale a dire H2 . L’idrogeno, ovviamente, si trova in forma gassosa sul nostro pianeta. Per portarlo alla forma liquida gli esperti hanno dovuto prima abbassare la temperatura a -253° C tramite un blocco di rame raffreddato da elio liquido. La temperatura deve essere, però, estremamente precisa, perché se l’idrogeno diventa più freddo congela e blocca tutto il processo. In questi casi verrebbe utilizzata una fonte di calore per sciogliere l’idrogeno. Dopo aver portato il gas a temperatura, da degli augelli dal diametro di 20 micrometri (1/50 di millimetro) fuoriesce l’idrogeno liquido. Il laser bombarda e riscalda prima gli elettroni, che lentamente trasferiscono l’energia anche ai protoni (che sono circa 2.000 volte più pesanti) fino a quando non si raggiunge un equilibrio termico. Sebbene questo processo richieda molte migliaia di collisioni tra elettroni e protoni, gli studi hanno dimostrato che l’equilibrio termico viene raggiunto in poco meno di un millesimo di nanosecondo (un picosecondo). Naturalmente durante questo processo il legame idrogeno si spezza formando il plasma (materiale principale nelle stelle e combustibile nelle reazioni termonucleari). 

L' X-ray laser FLASH presso il DESY. Crediti: Ulf Zastrau/University of Jena

L’ X-ray laser FLASH presso il DESY. Crediti: Ulf Zastrau/University of Jena

Per studiare le proprietà dell’idrogeno mentre si vaporizza, i ricercatori fotografano le pulsazioni del laser. “La prima metà dei flash – ha detto Sven Toleikis – riscalda l’idrogeno. Abbiamo usato la seconda metà delle pulsazioni per studiare, invece, il processo e i cambiamenti delle proprietà”.

Il pianeta Giove fotografato da Cassini. Crediti: NASA/JPL/Space Science Institute

Il pianeta Giove fotografato dalla sonda Cassini. Crediti: NASA/JPL/Space Science Institute

Con questo esperimento si superano, quindi, i diversi modelli computerizzati che hanno cercato, negli ultimi anni, di studiare la composizione interna dei pianeti gassosi, sulla base di diverse proprietà note come quelle dielettriche dell’idrogeno (conduttività elettrica e termica), che sono cruciali per simulare correttamente i massicci flussi di calore verso l’esterno dei pianeti gassosi giganti. Lo studio dei ricercatori tedeschi ha confermato queste proprietà: “quando la conduttività termica ed elettrica degli strati di idrogeno nell’atmosfera è nota – ha detto Philipp Sperling dell’Università di Rostock – si può calcolare anche la temperatura della stessa”. L’esperimento dovrà essere ripetuto diverse volte, però, per “fotografare” nel dettaglio l’atmosfera planetaria.

Interpretare i dati ottenuti non è stato semplice e ha richiesto molto tempo. I ricercatori hanno provato a utilizzare la teoria funzionale della densità (Density Functional Theory, DFT) per lo studio di sistemi a molti elettroni, ma questo modello non è adatto a sistemi con due temperature diverse, come nell’esperimento FLASH. Per questo motivo la DFT è stata estesa per questo tipo di esperimenti. Questo metodo apre la strada per futuri studi, come ad esempio quello del plasma di elementi più pesanti di altri pianeti.

Per saperne di più:

Leggi lo studio di U. Zastrau et al. “Resolving ultra-fast heating of dense cryogenic hydrogen” su Physical Review Letters, 2014 (in press) DOI: 10.1103/PhysRevLett