La scienziata planetaria Dr. Helen Maynard-Casely e soci hanno riportato per la prima volta come il metano e l'azoto solidi si espandono in risposta ai cambiamenti di temperatura e hanno risolto un'ambiguità storica relativa alla struttura dell'azoto.

Lo studio è stato ispirato dalla missione New Horizons, che durante il sorvolo di Plutone cinque anni fa, scoprì ghiacciai di metano solido e azoto sulla superficie del pianeta nano.

In una ricerca pubblicata sulla rivista IUCrJ, hanno anche fornito prove di cambiamenti inaspettati nell'orientamento dei grani del metano solido e dell'azoto al riscaldamento, che indicava che i grani potrebbero essere in crescita.

Plutone, che è inclinato di 120 gradi sul proprio asse, subisce variazioni stagionali di temperatura da 24 a 54 Kelvin (-250 a -220 gradi Celsius) durante i suoi 248 anni di viaggio intorno al sole.

"Il fatto che le molecole di metano e azoto possano fluire a temperature così basse ha a che fare con il modo in cui le molecole di metano e azoto sono disposte nelle loro strutture cristalline, ecco perché la cristallografia potrebbe essere in grado di rispondere a domande su questi paesaggi insoliti, " disse Maynard-Casely.

"Nelle stagioni più calde di Plutone, ancora circa -220 C, sia le molecole di metano che di azoto ruotano liberamente nei solidi:le molecole non sono legate insieme molto bene, " lei disse.

"Gli studi sulle proprietà meccaniche di questi materiali a temperature molto basse sono davvero impegnativi, quindi mancano informazioni utili per le condizioni insolite sui corpi planetari esterni."

Maynard-Casely, che studia le superfici dei pianeti ghiacciati esterni e delle loro lune, ricrea quelle condizioni utilizzando il diffrattometro ad alta intensità Wombat e forni criogenici. Ha intrapreso lo studio dell'espansione termica del metano e dell'azoto come non era stato fatto in precedenza.

Si ritiene che i cambiamenti nella densità di entrambe le molecole siano utili per spiegare la glaciologia di Plutone.

Quello che doveva essere un semplice studio di cristallografia dell'espansione termica a una gamma di temperature ha avuto alcuni risultati inaspettati.

"L'azoto ha in realtà due strutture cristalline nell'intervallo di temperature visto su Plutone, e sono rimasto sorpreso dal fatto che il modello più accettato per la forma alfa a temperatura inferiore non si adattasse ai nostri dati. Si è scoperto che questo è un argomento che non è mai stato risolto dagli anni '70, sebbene il modello più citato della cella unitaria sia il gruppo spaziale asimmetrico P213 a quattro molecole cubiche, " disse Maynard-Casely.

I dati sono stati raccolti su Wombat su un ulteriore campione, quindi sono state testate nuovamente cinque diverse strutture possibili.

"I dati si adattano al gruppo spaziale Pa3̅, in cui il centro della molecola si trova all'origine della struttura cristallina. Questo è importante perché il gruppo spaziale influisce sulle proprietà fisiche".

Nel modello alternativo gli atomi di azoto sono sfalsati rispetto all'origine.

"Una struttura nel gruppo spaziale P213 potrebbe essere piroelettrica, il che significa che potrebbe esserci un rilascio di energia quando lo riscaldi. Questo sarebbe rilevante per la glaciologia, ma i dati di Wombat suggeriscono che non è così, " disse Maynard-Casely.

"La storia dell'azoto è davvero interessante perché le molecole hanno la capacità di raffreddarsi in una struttura ordinata, che è la fase alfa azotata e a questo punto si ha un forte calo di volume, " ha spiegato Maynard-Casely.

"Mentre a una temperatura leggermente più alta, circa 44 Kelvin, le molecole di azoto ruotano liberamente in uno stato plastico."

La fase I del metano è anche descritta come fase plastica, in cui si pensava che la natura debolmente interagente delle molecole e la libertà di orientamento impartissero una morbidezza meccanica.

La ricerca è stata motivata dalle suggestive immagini della superficie di Plutone catturate dalla missione New Horizons cinque anni fa, che raffigurava imponenti montagne ghiacciate circondate da un terreno più basso con caratteristiche apparentemente fluide.

"Non c'è più il pensiero che Plutone sia un mondo morto. New Horizons ha raccolto prove che il pianeta nano è stato geologicamente attivo durante i suoi 4 miliardi di anni di vita".

"È stato anche interessante vedere quanto poco la struttura legata all'idrogeno, acqua, espansa nello stesso intervallo di temperatura, " disse Maynard-Casely.

"Vedi l'acqua come una linea quasi retta nel grafico dei dati, considerando che il metano e l'azoto hanno un'espansione significativa all'aumentare delle temperature, " lei disse.