Gli scienziati hanno riflettuto a lungo su come i corpi rocciosi nel sistema solare, inclusa la nostra stessa Terra, abbiano i loro nuclei metallici. Secondo una ricerca condotta dall'Università del Texas ad Austin, le prove indicano la percolazione verso il basso del metallo fuso verso il centro del pianeta attraverso minuscoli canali tra i grani di roccia.

La scoperta mette in discussione l'interpretazione di precedenti esperimenti e simulazioni che cercavano di capire come si comportano i metalli sotto calore e pressione intensi quando si formano i pianeti. I risultati passati hanno suggerito che grandi porzioni di metalli fusi sono rimaste intrappolate in pori isolati tra i grani. In contrasto, la nuova ricerca suggerisce che una volta che quei pori isolati diventano abbastanza grandi da connettersi, il metallo fuso inizia a scorrere, e la maggior parte è in grado di percolare lungo i bordi dei grani. Questo processo farebbe colare il metallo attraverso il mantello, accumularsi al centro, e formare un nucleo metallico, come il nucleo di ferro nel cuore del nostro pianeta natale.

"Quello che stiamo dicendo è che una volta che la rete di fusione diventa connessa, rimane collegato fino a quando quasi tutto il metallo è nel nucleo, " ha detto il co-autore Marc Hesse, professore associato presso il Dipartimento di Scienze Geologiche della UT Jackson School of Geosciences, e membro dell'Istituto per l'ingegneria e le scienze computazionali dell'UT.

La ricerca è stata pubblicata il 4 dicembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il lavoro era la tesi di dottorato di Soheil Ghanbarzadeh, che ha conseguito il dottorato di ricerca mentre uno studente nel Dipartimento di Ingegneria del Petrolio e dei Geosistemi UT (ora Dipartimento di Ingegneria del Petrolio e dei Geosistemi di Hildebrand). Attualmente lavora come ingegnere di serbatoi con BP America. Soheil è stato consigliato congiuntamente da Hesse e Maša Prodanovic, professore associato presso il Dipartimento di Hildebrand e coautore.

I pianeti e i planetesimi (piccoli pianeti e grandi asteroidi) sono formati principalmente da rocce silicatiche e metalli. Parte del processo di formazione del pianeta coinvolge la massa iniziale di materiale che si separa in un nucleo metallico e un guscio di silicato costituito dal mantello e dalla crosta. Perché la teoria della percolazione della formazione del nucleo funzioni, la stragrande maggioranza del metallo nel corpo planetario deve raggiungere il centro.

In questo studio, Ghanbarzadeh ha sviluppato un modello al computer per simulare la distribuzione del ferro fuso tra i grani di roccia come porosità, o frazione di fusione, aumentato o diminuito. Le simulazioni sono state eseguite presso il Texas Advanced Computing Center. I ricercatori hanno scoperto che una volta che il metallo inizia a fluire, può continuare a fluire anche se la frazione fusa diminuisce significativamente. Questo è in contrasto con le simulazioni precedenti che hanno scoperto che una volta che il metallo inizia a scorrere, basta una piccola diminuzione del volume di fusione perché la percolazione si fermi.

"Le persone hanno ipotizzato che ti disconnetti alla stessa frazione di fusione in cui ti sei connesso inizialmente... e lascerebbe dietro di sé quantità significative di metallo, " Ha detto Hesse. "Quello che abbiamo scoperto è che quando il metallo fuso si connette e quando si disconnette non è necessariamente lo stesso".

Secondo il modello informatico, solo l'1-2% del metallo iniziale sarebbe intrappolato nel mantello di silicato quando la percolazione si interrompe, che è coerente con la quantità di metallo nel mantello terrestre.

I ricercatori indicano la disposizione dei grani di roccia per spiegare le differenze nel modo in cui sono ben collegati gli spazi tra i grani. Il lavoro precedente utilizzava un motivo geometrico regolare, grani identici, mentre questo lavoro si basava su simulazioni utilizzando una geometria del grano irregolare, che si pensa rispecchi più da vicino le condizioni della vita reale. La geometria è stata generata utilizzando i dati di un campione di titanio policristallino che è stato scansionato mediante microtomografia a raggi X.

"Il modello numerico sviluppato da Soheil nella sua tesi di dottorato ha permesso di trovare per la prima volta reti di fusione tridimensionali di qualsiasi complessità geometrica, " ha detto Prodanovic. "Avere un modello tridimensionale è la chiave per capire e quantificare come funziona l'intrappolamento della fusione".

Lo sforzo è stato ripagato perché i ricercatori hanno scoperto che la geometria ha un forte effetto sulla connettività di fusione. Nei grani irregolari, i canali di fusione variano in larghezza, e quelli più grandi rimangono collegati anche se la maggior parte del metallo defluisce.

"Quello che abbiamo fatto diversamente qui è stato aggiungere l'elemento della curiosità per vedere cosa succede quando si drena la fusione dal poroso, roccia duttile, ", ha detto Ghanbarzadeh.

I ricercatori hanno anche confrontato i loro risultati con una rete metallica fusa conservata in un meteorite di ancondrite, un tipo di meteorite che proveniva da un corpo planetario differenziato in strati distinguibili. Le immagini a raggi X del meteorite scattate nell'impianto TC a raggi X ad alta risoluzione della Jackson School hanno rivelato una distribuzione del metallo paragonabile alle reti di fusione calcolate. Prodanovic ha affermato che questo confronto mostra che la loro simulazione cattura le caratteristiche osservate nel meteorite.