Urano e Nettuno sono i due pianeti più esterni del Sistema solare. Gli astronomi li classificano convenzionalmente come “giganti di ghiaccio”, eppure, nonostante questa denominazione, sappiamo ancora relativamente poco sulle proporzioni tra materiali ghiacciati e rocciosi che li costituiscono. Un modo per indagare la loro composizione interna consiste nel misurare la quantità di gas nobili nelle loro atmosfere. Poiché sono chimicamente stabili, questi elementi non vengono infatti alterati in misura significativa dai processi atmosferici o geologici che si verificano dopo la formazione dei pianeti. Tra questi gas nobili, l’argon (Ar), e in particolare uno dei suoi isotopi stabili, l’argon-40, è stato proposto come possibile tracciante della componente rocciosa dei due pianeti. Le misurazioni delle sue abbondanze atmosferiche dovrebbero quindi aiutare gli scienziati a capire se i loro interni siano dominati dal ghiaccio o dalla roccia. Ma è davvero così?
Immagine di Urano ottenuta nel 1986 dalla sonda Voyager 2 della Nasa mentre sorvolava il pianeta. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech
Se lo è chiesto un team di ricercatori guidati dal Southwest Research Institute (Swri), che in un recente studio ha esaminato in quali condizioni questo isotopo possa fornire indicazioni sulla componente rocciosa di Urano e Nettuno. I risultati, pubblicati su The Planetary Science Journal, suggeriscono che la questione sia più complessa del previsto.
L’argon-40 potrebbe infatti rappresentare una preziosa chiave per indagare la composizione interna di Urano e Nettuno. Per utilizzarlo come indicatore del materiale roccioso presente nei due pianeti è tuttavia necessario distinguere tra le due componenti dell’isotopo che contribuiscono alla sua abbondanza atmosferica: quella di origine primordiale e quella radiogenica.
L’argon-40 presente nelle atmosfere di Urano e Nettuno ha sostanzialmente due origini, spiegano i ricercatori. Una parte è stata ereditata dalla nebulosa protosolare, la nube di gas e polveri dalla quale si è formato il Sistema solare circa 4,6 miliardi di anni fa. L’altra parte deriva invece dal decadimento radioattivo del potassio-40 contenuto nei materiali rocciosi, incorporato durante la formazione planetaria. Distinguendo tra l’argon-40 di origine primordiale e quello radiogenico, sarebbe dunque teoricamente possibile stimare la quantità di roccia all’interno di Urano e Nettuno.
Il team di ricerca guidato da Olivier Mousis, scienziato planetario al Southwest Research Institute, ha dimostrato tuttavia che, nella pratica, le cose stanno diversamente: l’abbondanza di argon-40 nelle atmosfere non rappresenta necessariamente un indicatore diretto della loro componente rocciosa.
«Nonostante decenni di ricerche, sappiamo ancora poco di ciò che si nasconde sotto le atmosfere di Urano e Nettuno e della loro composizione fisica», sottolinea Mousis. «Valeva la pena quindi chiedersi se questi pianeti non possano contenere una quantità di rocce molto maggiore di quanto suggerisca la loro classificazione come giganti di ghiaccio. In questa ricerca, abbiamo indagato se l’argon-40 possa aiutarci a distinguere tra queste possibilità oppure se questo particolare tracciante chimico possa avere altre applicazioni nelle future ricerche».
Nello studio, i ricercatori hanno innanzitutto analizzato i contributi delle componenti primordiale e radiogenica all’abbondanza di argon-40 nelle atmosfere dei due pianeti. Successivamente, hanno valutato in quali condizioni questo isotopo possa fornire indicazioni sulla quantità di materiale roccioso presente all’interno. Per farlo, hanno combinato i calcoli relativi alle stime dell’abbondanza di argon-40 con un modello della nebulosa protosolare che ne ha tracciato l’evoluzione: dal trasporto dell’argon di origine primordiale all’interno delle particelle di ghiaccio, fino alla loro successiva aggregazione nei materiali che hanno contribuito alla formazione di Urano e Nettuno.
I risultati della ricerca mostrano che la possibilità di utilizzare l’abbondanza di argon-40 come indicatore della componente rocciosa dei pianeti dipende da quale contributo prevale. Se ad essere dominante è la componente radiogenica, la sua abbondanza può in effetti aiutare a stimare la quantità di materiale roccioso presente nei pianeti. Se invece prevale la componente primordiale, l’isotopo diventa soprattutto un tracciante delle condizioni ambientali e della regione della nebulosa protosolare in cui si sono formati i materiali che hanno dato origine ai due pianeti.
Immagine di Nettuno ottenuta nel 1989 dalla sonda della Nasa Voyager 2. Crediti: Nasa
«I nostri risultati mostrano che l’argon di origine primordiale incorporato da Urano e Nettuno, insieme ai suoi isotopi, sarebbe talmente abbondante da sovrastare qualsiasi contributo prodotto dal decadimento radioattivo avvenuto all’interno dei pianeti», dice Mousis, sottolineando che il contributo dell’argon proveniente dalla nebulosa protosolare è maggiore di quanto ipotizzato in precedenza. «Alla luce di questo risultato», continua lo scienziato, «abbiamo concluso che le abbondanze dell’argon-40 atmosferico probabilmente ci raccontano più informazioni sugli ambienti e sulla storia della formazione dei pianeti che sulla natura rocciosa o ghiacciata dei loro interni».
Le simulazioni hanno inoltre rivelato che i materiali destinati a formare pianeti particolarmente ricchi di argon potrebbero essersi originati in prossimità di una linea di neve dell’argon. Si tratta di un confine situato nelle regioni esterne della nebulosa protosolare, oltre il quale le basse temperature favoriscono il passaggio di stato dell’elemento da gas a ghiaccio. L’accumulo di particelle contenenti argon in prossimità di questo limite potrebbe aver influenzato la composizione chimica dei materiali che hanno dato origine ai due pianeti
«Comprendere la composizione dei materiali da cui si sono formati Urano e Nettuno è fondamentale per ricostruirne la storia evolutiva», aggiunge Robin Canup, scienziata dello SwRI e coautrice dello studio. «I nostri risultati dimostrano come i cambiamenti evolutivi nel Sistema solare primordiale possano lasciare tracce chimiche capaci di persistere nelle atmosfere planetarie per miliardi di anni».
Secondo gli autori, questi risultati potrebbero orientare le future ricerche sulle atmosfere di Urano e Nettuno. Missioni con sonde dedicate, come la Uranus Orbiter and Probe (Uop), indicata tra le priorità più elevate dalla Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023–2032, potrebbero effettuare misure dirette dei gas nobili e dei rapporti isotopici, parametri che non è possibile determinare in modo affidabile attraverso le sole osservazioni a distanza. Le misure delle abbondanze dell’azoto, del carbonio e di altri elementi presenti nell’atmosfera dei pianeti potrebbero contribuire a verificare le diverse teorie sulla formazione dei giganti di ghiaccio.
«Le misurazioni dell’abbondanza di argon-40 potrebbero aiutarci a rispondere a due domande fondamentali che da tempo sfuggono agli scienziati», conclude Mousis. «Qual è la composizione di Urano e Nettuno, e dove si è formata la materia di cui sono fatti, prima che fosse incorporata al loro interno? Le future sonde atmosferiche, equipaggiate con spettrometri di massa sufficientemente sensibili, potrebbero trovare una risposta a entrambe queste domande».
Per saperne di più:
- Leggi su The Planetary Science Journal l’articolo “Primordial and Radiogenic Argon 40 in Uranus and Neptune” di O. Mousis, M. D. Hofstadter, C. R. Glein, J. I. Lunine e R. M. Canup