Un'incudine diamantata (in alto a destra) e un laser sono stati utilizzati in laboratorio su un campione di olivina per raggiungere le condizioni di pressione-temperatura previste nella parte superiore dello strato d'acqua sotto l'atmosfera di idrogeno di Urano (a sinistra). In questo esperimento, il magnesio nell'olivina disciolto nell'acqua. Attestazione:Shim/ASU
Mentre gli scienziati hanno accumulato una notevole conoscenza dei pianeti rocciosi del nostro sistema solare, come la Terra e Marte, molto meno si sa dei gelidi pianeti ricchi di acqua, Nettuno e Urano.
In un nuovo studio recentemente pubblicato su Astronomia della natura , un team di scienziati ha ricreato in laboratorio la temperatura e la pressione degli interni di Nettuno e Urano, e così facendo abbiamo acquisito una maggiore comprensione della chimica degli strati di acque profonde di questi pianeti. Le loro scoperte forniscono anche indizi sulla composizione degli oceani su esopianeti ricchi di acqua al di fuori del nostro sistema solare.
Nettuno e Urano sono convenzionalmente pensati per avere strati separati distinti, costituito da un'atmosfera, ghiaccio o fluido, un mantello roccioso e un nucleo metallico. Per questo studio, il gruppo di ricerca era particolarmente interessato alla possibile reazione tra acqua e roccia negli interni profondi.
"Attraverso questo studio, stavamo cercando di ampliare la nostra conoscenza delle profondità interne dei giganti di ghiaccio e determinare quali interazioni acqua-roccia potrebbero esistere in condizioni estreme, ", afferma l'autore principale Taehyun Kim, della Yonsei University in Corea del Sud. "I giganti del ghiaccio e alcuni esopianeti hanno strati d'acqua molto profondi, a differenza dei pianeti terrestri. Abbiamo proposto la possibilità di una miscelazione su scala atomica di due dei materiali da costruzione del pianeta (acqua e roccia) all'interno dei giganti di ghiaccio".
Per imitare in laboratorio le condizioni degli strati di acque profonde su Nettuno e Urano, il team ha prima immerso i tipici minerali che formano la roccia, olivina e ferropericlasio, in acqua e compresso il campione in un'incudine diamantata a pressioni molto elevate. Quindi, monitorare la reazione tra i minerali e l'acqua, hanno effettuato misurazioni a raggi X mentre un laser riscaldava il campione ad alta temperatura.
La reazione chimica risultante ha portato ad alte concentrazioni di magnesio nell'acqua. Sulla base di questi risultati, il team ha concluso che gli oceani sui pianeti ricchi di acqua potrebbero non avere le stesse proprietà chimiche dell'oceano terrestre e l'alta pressione renderebbe quegli oceani ricchi di magnesio.
"Abbiamo scoperto che il magnesio diventa molto più solubile in acqua ad alte pressioni. Infatti, il magnesio può diventare solubile negli strati d'acqua di Urano e Nettuno quanto il sale nell'oceano terrestre, ", afferma il coautore dello studio Sang-Heon Dan Shim della School of Earth and Space Exploration dell'Arizona State University.
Un'immagine al microscopio elettronico del campione di olivina mostra una grande struttura a cupola vuota dove il magnesio sotto acqua ad alta pressione è precipitato come ossido di magnesio. Credito:Kim et al.
Queste caratteristiche possono anche aiutare a risolvere il mistero del perché l'atmosfera di Urano sia molto più fredda di quella di Nettuno, anche se sono entrambi pianeti ricchi di acqua. Se esiste molto più magnesio nello strato d'acqua di Urano sotto l'atmosfera, potrebbe impedire al calore di fuoriuscire dall'interno verso l'atmosfera.
"Quest'acqua ricca di magnesio può agire come una coperta termica per l'interno del pianeta, " dice Shim.
Oltre il nostro sistema solare, questi esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura possono anche aiutare gli scienziati a ottenere una maggiore comprensione degli esopianeti sub-Nettuno, che sono pianeti al di fuori del nostro sistema solare con un raggio più piccolo o una massa più piccola di Nettuno.
I pianeti sub-Nettuno sono il tipo più comune di esopianeti che conosciamo finora, e gli scienziati che studiano questi pianeti ipotizzano che molti di essi possano avere uno spesso strato ricco di acqua con un interno roccioso. Questo nuovo studio suggerisce che gli oceani profondi di questi esopianeti sarebbero molto diversi dall'oceano terrestre e potrebbero essere ricchi di magnesio.
"Se un processo dinamico precoce ha consentito una reazione roccia-acqua in questi esopianeti, lo strato d'acqua più alto può essere ricco di magnesio, che potrebbe influenzare la storia termica del pianeta, " dice Shim.
Per i prossimi passi, il team spera di continuare i loro esperimenti ad alta pressione/alta temperatura in condizioni diverse per saperne di più sulla composizione dei pianeti.
"Questo esperimento ci ha fornito un piano per un'ulteriore esplorazione dei fenomeni sconosciuti nei giganti di ghiaccio, "dice Kim.
