I progressi nelle osservazioni astronomiche hanno portato alla scoperta di un numero straordinario di pianeti extrasolari, alcuni dei quali si ritiene abbiano una composizione rocciosa simile alla Terra. Imparare di più sulla loro struttura interna potrebbe fornire importanti indizi sulla loro potenziale abitabilità.

Guidato dal Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), un team di ricercatori mira a svelare alcuni di questi segreti comprendendo le proprietà dell'ossido di ferro, uno dei costituenti del mantello terrestre, alle pressioni e alle temperature estreme che si trovano probabilmente all'interno di questi grandi pianeti rocciosi extrasolari. I risultati dei loro esperimenti sono stati pubblicati oggi in Geoscienze naturali .

"A causa della quantità limitata di dati disponibili, la maggior parte dei modelli di struttura interna per esopianeti rocciosi presuppone una versione ingrandita della Terra, costituito da un nucleo di ferro, circondato da un mantello dominato da silicati e ossidi. Però, questo approccio trascura in gran parte le diverse proprietà che i materiali costituenti possono avere a pressioni superiori a quelle esistenti all'interno della Terra, "ha detto Federica Coppari, Fisico LLNL e autore principale dello studio. "Con il numero sempre crescente di esopianeti confermati, compresi quelli ritenuti di natura rocciosa, è fondamentale acquisire una migliore comprensione di come si comportano i loro elementi costitutivi planetari in profondità all'interno di tali corpi".

Utilizzando laser giganti presso l'Omega Laser Facility dell'Università di Rochester, i ricercatori hanno spremuto un campione di ossido di ferro a quasi 7 megabar (o Mbar, 7 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre), condizioni attese all'interno di esopianeti rocciosi circa cinque volte più massicci della Terra. Hanno sparato laser aggiuntivi su una piccola lamina di metallo per creare un breve impulso di raggi X, abbastanza luminoso da consentire loro di catturare un'istantanea di diffrazione dei raggi X del campione compresso.

"La tempistica precisa è fondamentale poiché lo stato di pressione di picco viene mantenuto per non più di 1 miliardesimo di secondo, " ha detto Coppari. Poiché la diffrazione dei raggi X è particolarmente adatta a fornire una misurazione della distanza tra gli atomi e di come sono disposti in un reticolo cristallino, il team ha scoperto che quando l'ossido di ferro viene compresso a pressioni superiori a 3 Mbar, la pressione del nucleo interno della Terra, si trasforma in una fase diversa, dove gli atomi sono più densamente impacchettati.

"Trovare la struttura di ossido di ferro ad alta pressione in condizioni superiori a quelle esistenti all'interno della Terra è molto interessante perché si prevede che questa forma abbia una viscosità molto inferiore rispetto alla struttura cristallina trovata in condizioni ambientali e nel mantello terrestre, "Ha detto Coppari.

Combinando i nuovi dati con le misurazioni precedenti sull'ossido di magnesio, un altro costituente chiave dei pianeti rocciosi, il team ha costruito un modello per capire come la transizione di fase nell'ossido di ferro potrebbe influenzare la loro capacità di mescolarsi. Hanno scoperto che il mantello dei grandi esopianeti terrestri potrebbe essere molto diverso da quello che di solito si immagina, probabilmente avente viscosità molto diversa, conducibilità elettrica e proprietà reologiche.

"Le condizioni più estreme previste all'interno di grandi super-Terre rocciose favoriscono l'emergere di una nuova e complessa mineralogia in cui i materiali costituenti si mescolano (o si dismescolano), scorrono e si deformano in modo completamente diverso rispetto al mantello terrestre, " Ha detto Coppari. "La miscelazione non gioca solo un ruolo nella formazione e nell'evoluzione del pianeta, ma influenza anche drammaticamente la reologia e la conduttività, che sono in ultima analisi legate alla sua abitabilità."

Guardando avanti, questa ricerca dovrebbe stimolare ulteriori studi sperimentali e teorici volti a comprendere le proprietà di miscelazione dei materiali costituenti a pressioni e condizioni di temperatura senza precedenti.

"C'è ancora così tanto da imparare sui materiali in condizioni estreme e ancora di più sulla formazione e l'evoluzione dei pianeti, "Ha detto. "È sbalorditivo pensare che i nostri esperimenti di laboratorio possano scrutare la struttura interna di pianeti così lontani con una risoluzione senza precedenti e contribuire a una comprensione più profonda dell'universo".