LO STUDIO SU PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES

Nelle viscere delle super-Terre

Sottoponendo un analogo di uno dei minerali di silicati più abbondanti nel mantello dei pianeti alle condizioni di temperatura e pressione presenti nelle profondità delle super-Terre, un team di ricercatori guidati dal Carnegie Institution for Science è stato in grado di ottenere una struttura solida cristallina mai osservata prima sperimentalmente. «Questo potrebbe avere importanti implicazioni per la dinamica del mantello di grandi esopianeti rocciosi», spiega a Media Inaf una delle autrici dello studio, Francesca Miozzi, ricercatrice italiana oggi al Carnegie Institute

     03/03/2022
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Illustrazione artistica della struttura interna della Terra a confronto con quella di una super Terra. Crediti: Kalliopi Monoyios

Studiare la chimica in atto nelle profondità dei pianeti rocciosi è fondamentale per la comprensione della loro struttura interna, della dinamica e delle forze che vi operano. È fondamentale per la comprensione della loro origine – è lì, infatti, che è scritta la storia della loro formazione. Ed è fondamentale anche per un altro motivo: è dalla chimica, e dalla struttura interna che da questa ne deriva, che dipende il potenziale di abitabilità planetaria sulla superficie. Date le temperature e le pressioni presenti nelle loro viscere, decifrare queste informazioni chimico-strutturali in maniera diretta è tuttavia impossibile.

Per fortuna c’è un modo alternativo per farlo: ricreare in laboratorio le stesse condizioni che ci sono nel cuore dei pianeti. Detto in una parola sola: simulando. Ed è proprio simulando che, nei laboratori di scienze della Terra e planetarie del Carnegie Institution for Science, un team di ricercatori è stato in grado di raccogliere informazioni sulla potenziale mineralogia di esopianeti rocciosi, scoprendo una nuova struttura cristallina mai osservata prima d’ora. Una struttura che ha importanti implicazioni per la nostra comprensione della struttura interna dei pianeti. I risultati dello studio sono stati pubblicati di recente sulla rivista Proceedings of National Academy of Sciences.

«Le dinamiche interne del nostro pianeta sono fondamentali per mantenere un ambiente superficiale in cui la vita può prosperare, guidando la geodinamo che crea il nostro campo magnetico e modellando la composizione della nostra atmosfera», spiega Rajkrishna Dutta, ricercatore del Carnegie Institute e primo autore dello studio. «Condizioni ancora più estreme si trovano nelle profondità di grandi esopianeti rocciosi come le super-Terre».

Il team di ricerca era interessato in particolare a sondare la formazione di strutture cristalline di silicati all’interno di questi mondi rocciosi. I minerali di silicato costituiscono la maggior parte del mantello terrestre – lo spesso strato roccioso che si trova a metà strada tra la crosta, la “pelle” del nostro pianeta, e il nucleo, il suo cuore – e si pensa che siano un componente importante anche degli interni di altri mondi.

La struttura che Rajkrishna Dutta e colleghi hanno ottenuto sottoponendo il germanato di magnesio a condizioni di temperatura e pressione che imitano quelle che si trovano all’interno delle super-Terre. Crediti: Rajkrishna Dutta

Sulla Terra la maggior parte degli atomi che costituiscono questi silicati sono organizzati a formare un solido cristallino dalla geometria tetraedrica, una struttura ordinata in cui ciascun atomo silicio presente è legato ad altri quattro atomi di ossigeno, o in una struttura ottaedrica, in cui il silicio di atomi di ossigeno ne lega sei. In condizioni estreme, come quelle esistenti nel cuore di grandi mondi rocciosi, questa struttura potrebbe lasciare il posto a solidi cristallini con proprietà diverse; strutture che la modellazione teorica ha indicato possano formarsi a pressioni e temperature che ci si aspetta si trovino nei mantelli di esopianeti rocciosi che sono almeno quattro volte più massicci della Terra, ma che fino ad ora non sono state osservate.

All’interno di una cella a incudine di diamante – lo strumento utilizzato per simulare le condizioni nelle profondità dei pianeti – sottoponendo a 275 gigapascal di pressione (circa due milioni di volte la normale pressione atmosferica) e a più di 1700 gradi Celsius di temperatura il germanato di magnesio (Mg2GeO4), analogo di uno dei minerali di silicato più abbondanti nel mantello dei pianeti, la forsterite (Mg2SiO4), il team è stato in grado per la prima volta di ottenerla, questa struttura solida cristallina: un reticolo cubico a corpo centrato con numero di coordinazione pari a otto, dicono i ricercatori. Detto in altri termini: un solido cristallino in cui gli atomi di magnesio e germanio sono disposti in maniera disordinata e in cui ciascun atomo di germanio è legato a otto atomi di ossigeno.

Francesca Miozzi, ricercatrice al Carnagie Institute for science

«La scoperta che se sottoposti a pressioni estreme i silicati potrebbero assumere una struttura orientata attorno a sei legami, anziché quattro, è stata una vera svolta in termini di comprensione da parte degli scienziati delle dinamiche profonde della Terra», dice Sally June Tracy, ricercatrice al Carnegie e fra le autrici dello studio. «La scoperta di una coordinazione ottupla potrebbe avere implicazioni altrettanto rivoluzionarie per il modo in cui pensiamo alle dinamiche degli interni degli esopianeti».

«L’aspetto interessante di questa struttura è che due cationi di taglia molto diversa, il magnesio e il germanio, occupano lo stesso sito», spiega a Media Inaf Francesca Miozzi, ricercatrice italiana coinvolta nella ricerca, postdoc al Carnegie Institution for Science. «Questo suggerisce che ci sia un incremento della miscibilità chimica e potrebbe avere importanti effetti, ad esempio una riduzione della conduttività termica. Inoltre, la transizione alla struttura in cui il germanio coordina otto atomi di ossigeno (struttura di tipo torio fosfato (Th3P4)) è accompagnata da un significativo cambio di volume (~2.4%). Questo a sua volta potrebbe avere importanti implicazioni per la dinamica del mantello di grandi esopianeti rocciosi».

«In futuro», conclude la ricercatrice, «ci dedicheremo allo stesso tipo di esperimenti ma aggiungendo il ferro, altro costituente fondamentale dei silicati che formano il mantello. L’accordo mostrato tra i dati sperimentali e quelli ricavati tramite modelli computazionali ci da confidenza nell’usare lo stesso tipo di tecniche per studiare questi silicati a condizioni non ancora raggiungibili con gli esperimenti».

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