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    Sondare materiali nelle condizioni della Terra profonda per decifrare il racconto evolutivo della Terra

    I ricercatori hanno sviluppato una tecnica che consente loro di studiare le disposizioni atomiche dei silicati liquidi nelle condizioni estreme che si trovano nel confine nucleo-mantello. Questo potrebbe portare a una migliore comprensione dei primi giorni di fusione della Terra, che potrebbe estendersi anche ad altri pianeti rocciosi. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

    Molto al di sotto della superficie terrestre, circa 1, 800 miglia di profondità, si trova una torbida regione magmatica racchiusa tra il solido mantello a base di silicato e il nucleo ricco di ferro fuso:il confine nucleo-mantello. È un residuo dei tempi antichi, i giorni primordiali circa 4,5 miliardi di anni fa, quando l'intero pianeta era fuso, un mare infinito di magma. Sebbene le pressioni e le temperature estreme della regione rendano difficile studiare, contiene indizi sulla misteriosa storia delle origini del mondo come lo conosciamo.

    "Stiamo ancora cercando di ricostruire come la Terra abbia effettivamente iniziato a formarsi, come si è trasformato da un pianeta fuso in uno con creature viventi che camminano sul suo mantello e crosta di silicato, "dice Arianna Gleason, uno scienziato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia. "Imparare a conoscere gli strani modi in cui i materiali si comportano sotto diverse pressioni può darci alcuni suggerimenti".

    Ora, gli scienziati hanno sviluppato un modo per studiare i silicati liquidi nelle condizioni estreme che si trovano nel confine nucleo-mantello. Questo potrebbe portare a una migliore comprensione dei primi giorni di fusione della Terra, che potrebbe estendersi anche ad altri pianeti rocciosi. La ricerca è stata condotta dagli scienziati Guillaume Morard e Alessandra Ravasio. Il gruppo, che includeva Gleason e altri ricercatori dello SLAC e della Stanford University, hanno pubblicato i loro risultati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

    "Ci sono caratteristiche di liquidi e bicchieri, in particolare i silicati fusi, che non capiamo, "dice Morardo, uno scienziato presso l'Università di Grenoble e l'Università della Sorbona in Francia. "Il problema è che i materiali fusi sono intrinsecamente più difficili da studiare. Attraverso i nostri esperimenti siamo stati in grado di sondare i materiali geofisici alle temperature e alle pressioni estremamente elevate della Terra profonda per affrontare la loro struttura liquida e imparare come si comportano. In futuro lo faremo essere in grado di utilizzare questi tipi di esperimenti per ricreare i primi momenti della Terra e comprendere i processi che l'hanno modellata".

    Più caldo del sole

    Al laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, i ricercatori hanno prima inviato un'onda d'urto attraverso un campione di silicato con un laser ottico accuratamente sintonizzato. Ciò ha permesso loro di raggiungere pressioni che imitano quelle del mantello terrestre, 10 volte superiore a quanto precedentemente ottenuto con i silicati liquidi, e temperature fino a 6, 000 Kelvin, leggermente più caldo della superficie del sole.

    Prossimo, i ricercatori hanno colpito il campione con impulsi laser a raggi X ultraveloci da LCLS nel momento preciso in cui l'onda d'urto ha raggiunto la pressione e la temperatura desiderate. Alcuni dei raggi X si sono poi dispersi in un rivelatore e hanno formato uno schema di diffrazione. Proprio come ogni persona ha il proprio set di impronte digitali, la struttura atomica dei materiali è spesso unica. I modelli di diffrazione rivelano che l'impronta digitale materiale, permettendo ai ricercatori di seguire come gli atomi del campione si sono riorganizzati in risposta all'aumento di pressione e temperatura durante l'onda d'urto. Hanno confrontato i loro risultati con quelli di esperimenti precedenti e simulazioni molecolari per rivelare una linea temporale evolutiva comune di vetri e silicati liquidi ad alta pressione.

    "È emozionante essere in grado di raccogliere tutte queste tecniche diverse e ottenere risultati simili, ", afferma Hae Ja Lee, scienziato e coautore dello SLAC. "Questo ci consente di trovare un quadro combinato che abbia senso e di fare un passo avanti. È molto completo rispetto ad altri studi".

    Collegare l'atomistico al planetario

    Nel futuro, l'aggiornamento LCLS-II, così come gli aggiornamenti allo strumento Matter in Extreme Conditions (MEC) in cui è stata eseguita questa ricerca, consentirà agli scienziati di ricreare le condizioni estreme che si trovano nel nucleo interno ed esterno per conoscere come si comporta il ferro e il ruolo che svolge nel generare e modellare il campo magnetico terrestre.

    Per dare seguito a questo studio, i ricercatori hanno in programma di eseguire esperimenti a energie dei raggi X più elevate per effettuare misurazioni più precise della disposizione atomica dei silicati liquidi. Sperano anche di raggiungere temperature e pressioni più elevate per ottenere informazioni su come questi processi si svolgono in pianeti più grandi della Terra, le cosiddette super-Terre o esopianeti, e come le dimensioni e la posizione di un pianeta influenzino la sua composizione.

    "Questa ricerca ci permette di collegare l'atomistico al planetario, " dice Gleason. "A partire da questo mese, più di 4, Sono stati scoperti 000 esopianeti, di cui circa 55 posizionati nella zona abitabile delle loro stelle dove è possibile la presenza di acqua allo stato liquido. Alcuni di questi si sono evoluti al punto in cui crediamo che ci sia un nucleo metallico che potrebbe generare campi magnetici, che proteggono i pianeti dai venti stellari e dalle radiazioni cosmiche. Ci sono così tanti pezzi che devono andare al loro posto perché la vita si formi e sia sostenuta. Effettuare le misurazioni importanti per comprendere meglio la costruzione di questi pianeti è cruciale in questa era di scoperte".


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