Un team di ricerca americano-tedesco ha simulato gli impatti di meteoriti in laboratorio e ha seguito i cambiamenti strutturali risultanti in due minerali di feldspato con i raggi X mentre si verificavano. I risultati degli esperimenti al DESY e all'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti mostrano che i cambiamenti strutturali possono verificarsi a pressioni molto diverse, a seconda della velocità di compressione. Le scoperte, pubblicato nel numero del 1 febbraio della rivista scientifica Lettere di Scienze della Terra e dei Pianeti (pubblicato in anticipo in linea), aiuterà altri scienziati a ricostruire le condizioni che portano ai crateri da impatto sulla Terra e su altri pianeti terrestri.

Gli impatti dei meteoriti svolgono un ruolo importante nella formazione e nell'evoluzione della Terra e di altri corpi planetari nel nostro sistema solare. Ma le condizioni di impatto, compresa la dimensione dell'impattatore, velocità e la pressione e la temperatura di picco, sono generalmente determinati molto tempo dopo l'impatto, studiando i cambiamenti permanenti nei minerali che formano la roccia nel cratere da impatto. Per ricostruire le condizioni di impatto dalla registrazione della roccia in un cratere da impatto centinaia o milioni di anni dopo l'evento, gli scienziati devono conciliare le osservazioni sul campo con i risultati degli esperimenti di laboratorio.

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno sviluppato uno schema di classificazione che lega le condizioni di impatto ai cambiamenti indotti dalla pressione e dalla temperatura nei minerali che formano le rocce che possono essere trovati nelle rocce tipiche dei crateri da impatto. I minerali del gruppo dei feldspati albite (NaAlSi ₃ oh ₈ ), anortite (CaAl ₂ si ₂ oh ₈ ) e la loro miscela plagioclasio (NaxCa _1-x Al _2-x si _2+x oh ₈ ) sono molto abbondanti nelle croste planetarie. Perciò, le variazioni di questi minerali rispetto alla pressione e alla temperatura sono ampiamente utilizzate come indicatori di impatti molto grandi. Tali cambiamenti includono trasformazioni strutturali o amorfizzazione, la perdita della struttura cristallina ordinata.

Però, per i minerali del gruppo dei feldspati, i valori riportati per le condizioni di pressione della transizione di amorfizzazione differiscono notevolmente se vengono utilizzate tecniche di compressione statiche o dinamiche. "Queste differenze indicano grandi lacune nella nostra comprensione dei processi indotti dalla velocità di compressione nei minerali, " dice Lars Ehm della Stony Brook University e del Brookhaven National Laboratory, il principale sperimentatore del progetto. Ciò ha implicazioni di vasta portata per l'interpretazione degli eventi di impatto naturale basati sul record di roccia rispetto alla velocità, dimensioni e altre proprietà del meteorite.

La struttura interna dei minerali e di altri campioni può essere studiata con raggi X che vengono diffratti dal reticolo cristallino di un materiale. Dal caratteristico schema di diffrazione, è possibile determinare la struttura interna di un campione. Questa tecnica è stata utilizzata e perfezionata per più di un secolo. Ora può essere utilizzato anche per tenere traccia dei processi dinamici.

"L'emergere di nuove e potentissime sorgenti di raggi X come PETRA III, Sorgente di fotoni avanzata, e il laser europeo a elettroni liberi a raggi X in combinazione con i recenti progressi quantistici nella tecnologia dei rivelatori di raggi X ci forniscono ora gli strumenti sperimentali per studiare la risposta dei materiali per misurare la struttura atomica in condizioni di compressione rapida, "dice Hanns-Peter Liermann, capo della linea di luce per condizioni estreme P02.2 presso la sorgente di raggi X di DESY PETRA III, dove sono stati condotti alcuni esperimenti.

"Nel nostro esperimento abbiamo utilizzato cellule di incudine diamantate controllate da gas o attuatori per comprimere rapidamente i nostri campioni mentre raccogliamo continuamente modelli di diffrazione dei raggi X, " spiega Melissa Sims, autore principale dello studio. "Questo ci permette di monitorare i cambiamenti nella struttura atomica durante il ciclo completo di compressione e decompressione, e non solo all'inizio e alla fine dell'esperimento come nei precedenti cosiddetti esperimenti di recupero".

Il team di ricerca è stato in grado di osservare l'amorfizzazione di albite e anortite a diverse velocità di compressione nell'esperimento. Hanno compresso i minerali a una pressione di 80 gigapascal, corrispondente a 80, 000 volte la pressione atmosferica. Negli esperimenti, sono stati utilizzati tassi di compressione da 0,1 gigapascal al secondo (GPa/s) a 81 GPa/s. "I risultati mostrano che, a seconda della velocità di compressione, i minerali subiscono la transizione di amorfizzazione a pressioni molto diverse, " Dice Ehm. "L'aumento della velocità di compressione porta ad un abbassamento della pressione di amorfizzazione osservata." Ad esempio, al tasso di compressione più basso di 0,1 GPa/s, l'albite è diventata completamente amorfa ad una pressione di 31,5 gigapascal, mentre al tasso più alto di 81 GPa/s ciò si è verificato già a 16,5 gigapascal.

"Per queste ragioni, è improbabile che l'amorfizzazione nei minerali plagioclasio sia uno standard univoco per suggerire picchi di pressione e condizioni di temperatura specifici durante l'impatto del meteorite, " dice Ehm. Sono necessarie ulteriori indagini per comprendere appieno il comportamento di questi minerali e per valutare se le condizioni di impatto possono essere misurate rispetto alla struttura dei minerali rocciosi.