Nettuno e Urano sono i due pianeti più esterni del nostro sistema solare e due giganti gassosi. Credito:NASA
Urano e Nettuno hanno entrambi un campo magnetico completamente distorto, forse a causa delle speciali strutture interne dei pianeti. Ma i nuovi esperimenti dei ricercatori dell'ETH di Zurigo mostrano ora che il mistero rimane irrisolto.
I due grandi pianeti gassosi Urano e Nettuno hanno strani campi magnetici. Questi sono ciascuno fortemente inclinati rispetto agli assi di rotazione del pianeta e sono significativamente sfalsati dal centro fisico del pianeta. La ragione di ciò è un mistero di vecchia data nelle scienze planetarie. Varie teorie ipotizzano che una struttura interna unica di questi pianeti potrebbe essere responsabile di questo bizzarro fenomeno. Secondo queste teorie, il campo magnetico distorto è causato da circolazioni in uno strato convettivo, che consiste in un fluido elettricamente conduttivo. Questo strato convettivo a sua volta circonda uno stabile stratificato, strato non convettivo in cui non c'è circolazione del materiale a causa della sua elevata viscosità e quindi nessun contributo al campo magnetico.
Stati straordinari
Le simulazioni al computer mostrano che l'acqua e l'ammoniaca, i principali componenti di Urano e Nettuno, entrare in uno stato insolito a pressioni e temperature molto elevate:uno "stato superionico, " che ha le proprietà sia di un solido che di un liquido. In questo stato, gli ioni idrogeno diventano mobili all'interno della struttura reticolare formata da ossigeno o azoto.
I campi magnetici della Terra, Urano e Nettuno differiscono notevolmente. Credito:ETH Zurigo / T. Kimura
Recenti studi sperimentali confermano che l'acqua superionica può esistere alla profondità dove, secondo la teoria, si trova la regione a strati stabili. Potrebbe quindi essere che lo strato stratificato sia formato da componenti superioniche. Però, non è chiaro se i componenti siano effettivamente in grado di sopprimere la convezione, poiché le proprietà fisiche dello stato superionico non sono note.
Alta pressione nel minimo spazio
Tomoaki Kimura e Motohiko Murakami del Dipartimento di Scienze della Terra dell'ETH di Zurigo sono ora un passo più vicini alla ricerca della risposta. I due ricercatori hanno condotto esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura con l'ammoniaca nel loro laboratorio. Lo scopo degli esperimenti era determinare l'elasticità del materiale superionico. L'elasticità è una delle proprietà fisiche più importanti che influenza la convezione termica nel mantello planetario. È notevole che l'elasticità dei materiali allo stato solido e liquido sia completamente diversa.
Ecco come potrebbe apparire la struttura interna dei due pianeti gassosi, secondo le teorie precedenti. Credito:ETH Zurigo / T. Kimura
Per le loro indagini, i ricercatori hanno utilizzato un apparato ad alta pressione chiamato cella a incudine di diamante. In questo apparato, l'ammoniaca viene posta in un piccolo contenitore del diametro di circa 100 micrometri, che viene poi serrato tra due punte diamantate che comprimono il campione. Ciò consente di sottoporre i materiali a pressioni estremamente elevate, come quelli che si trovano all'interno di Urano e Nettuno.
Il campione viene quindi riscaldato a oltre 2, 000 gradi Celsius con un laser a infrarossi. Allo stesso tempo, un raggio laser verde illumina il campione. Misurando lo spettro d'onda della luce laser verde diffusa, i ricercatori possono determinare l'elasticità del materiale e il legame chimico nell'ammoniaca. Gli spostamenti nello spettro delle onde a diverse pressioni e temperature possono essere utilizzati per determinare l'elasticità dell'ammoniaca a diverse profondità.
Rappresentazione schematica della cella dell'incudine diamantata. La struttura chimica può essere determinata con lo spettro Raman, e l'elasticità del materiale campione con dispersione Brillouin. Credito:ETH Zurigo / T. Kimura
Scoperta una nuova fase
Nelle loro misurazioni, Kimura e Murakami hanno scoperto una nuova fase ammoniaca superionica (fase γ) che presenta un'elasticità simile a quella della fase liquida. Questa nuova fase potrebbe essere stabile nelle profondità interne di Urano e Nettuno e quindi verificarsi lì. Però, l'ammoniaca superionica si comporta come un liquido e quindi non sarebbe sufficientemente viscosa da contribuire alla formazione dello strato non convettivo.
La domanda su quali proprietà abbia l'acqua superionica all'interno di Urano e Nettuno è tanto più urgente alla luce dei nuovi risultati. Anche per ora, il mistero del perché i due pianeti abbiano un campo magnetico così irregolare rimane ancora irrisolto.
