Un nuovo metodo teorico apre la strada alla modellazione dell'interno dei giganti di ghiaccio Urano e Nettuno, grazie a simulazioni al computer sull'acqua contenuta al loro interno. Lo strumento, sviluppato da scienziati della SISSA di Trieste e dell'Università della California a Los Angeles e recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , permette di analizzare i processi termici ed elettrici che avvengono in condizioni fisiche spesso impossibili da riprodurre sperimentalmente, con un approccio molto più semplice ed economico.

In questa ricerca, gli studiosi hanno analizzato la conduzione dell'elettricità e del calore dell'acqua in condizioni estreme di temperatura e pressione, come quelli che si verificano all'interno di pianeti giganti di ghiaccio e in molti esopianeti al di fuori di essi. Indagando i fenomeni che si verificano sotto la loro superficie, infatti, è la chiave per comprendere l'evoluzione di questi corpi celesti, per stabilire la loro età, e per far luce sulla geometria e l'evoluzione dei loro campi magnetici.

Bilance microscopiche per raccontare storie di miliardi di anni

"L'idrogeno e l'ossigeno sono gli elementi più comuni nell'Universo, insieme all'elio. È facile dedurre che l'acqua è uno dei principali costituenti di molti corpi celesti. Ganimede e l'Europa, satelliti di Giove, ed Encelado, satellite di Saturno, presentano superfici ghiacciate sotto le quali giacciono oceani d'acqua. Anche Nettuno e Urano sono probabilmente composti principalmente da acqua, "Federico Grasselli e Stefano Baroni, primo e ultimo autore, spiegare.

"La nostra conoscenza degli interni planetari, "dicono gli studiosi, "si basa sulle caratteristiche della superficie del pianeta e del campo magnetico, che sono essi stessi influenzati dalle caratteristiche fisiche della loro struttura interna, come il trasporto di energia, massa e carica attraverso gli strati intermedi interni. Ecco perché abbiamo sviluppato un metodo teorico e computazionale per calcolare la conducibilità termica ed elettrica dell'acqua, nelle fasi e nelle condizioni che si verificano in tali corpi celesti, partendo da simulazioni all'avanguardia sulla dinamica microscopica di alcune centinaia di atomi e incorporando la natura quantistica degli elettroni senza ulteriori approssimazioni ad hoc. Simulando la scala atomica per frazioni di nanosecondo, siamo in grado di capire cosa è successo a enormi masse su scale temporali di miliardi di anni".

Ghiaccio, liquido o superionico:un'acqua totalmente diversa

Gli studiosi hanno analizzato tre diverse fasi dell'acqua:ghiaccio, liquido, e superionico, nelle condizioni estreme di temperatura e pressione tipiche degli strati interni di questi pianeti. Spiegano Grasselli e Baroni:"In condizioni fisiche così esotiche, non possiamo pensare al ghiaccio come siamo abituati. Anche l'acqua è in realtà diversa, più denso, con diverse molecole dissociate in ioni positivi e negativi, portando così una carica elettrica. L'acqua superionica si trova da qualche parte tra la fase liquida e quella solida:gli atomi di ossigeno dell'H ₂ O molecola sono organizzati in un reticolo cristallino, mentre gli atomi di idrogeno si diffondono liberamente come in un fluido carico." Lo studio delle correnti termiche ed elettriche generate dall'acqua in queste tre diverse forme è essenziale per far luce su molte questioni irrisolte.

Trasporto di calore ed elettricità per capire il passato e il presente

I due scienziati affermano inoltre che "le correnti elettriche interne sono alla base del campo magnetico del Pianeta. Se comprendiamo come fluiscono le prime, possiamo imparare molto di più su quest'ultimo." E non solo. "I coefficienti di trasporto termico ed elettrico dettano la storia del pianeta, come e quando si è formato, come si è raffreddato. È quindi fondamentale analizzarli con gli strumenti adeguati, come quello che abbiamo sviluppato. In particolare, le proprietà di conduzione del calore che emergono dal nostro studio ci permettono di ipotizzare che l'esistenza di un nucleo congelato possa spiegare la luminosità anormalmente bassa di Urano come dovuta ad un flusso di calore estremamente basso dal suo interno verso la superficie."

Per di più, la conduttività elettrica trovata per la fase superionica è molto più grande di quanto ipotizzato nei precedenti modelli di generazione di campi magnetici in Urano e Nettuno. Poiché si pensa che l'acqua superionica domini gli strati planetari densi e pigri al di sotto della regione del fluido convettivo in cui viene generato il loro campo magnetico, questa nuova evidenza potrebbe avere un grande impatto sullo studio della geometria e dell'evoluzione dei campi magnetici dei due pianeti.