Gli studi presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno effettuato le prime osservazioni in tempo reale su come la silice, un materiale abbondante nella crosta terrestre, si trasforma facilmente in un vetro denso quando viene colpita da un'onda d'urto massiccia come quella generata dall'impatto di un meteorite .

I risultati implicano che le meteore che colpiscono la Terra e altri oggetti celesti sono più piccole di quanto originariamente pensato. Queste nuove informazioni saranno importanti per modellare la formazione del corpo planetario e interpretare le prove degli impatti al suolo.

Gli esperimenti hanno avuto luogo presso il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, un DOE Office of Science User Facility i cui impulsi ultraveloci possono rivelare processi che si verificano in milionesimi di miliardesimo di secondo con risoluzione atomica.

"Siamo stati in grado per la prima volta di visualizzare davvero dall'inizio alla fine ciò che accade in un materiale che costituisce una porzione importante della crosta terrestre, " ha affermato Arianna Gleason del Los Alamos National Laboratory (LANL) del DOE, il ricercatore principale dello studio, che è stato pubblicato il 14 novembre in Comunicazioni sulla natura .

In che modo il vetro shock diventa così?

Gli scienziati sanno da tempo che gli impatti delle meteore convertono i silicati in un denso, fase amorfa nota come vetro shockato. La domanda è come si forma questo vetro scioccato.

Nel passato, gli scienziati hanno cercato di stimare la quantità di pressione necessaria per causare questa trasformazione esaminando i detriti dagli impatti di meteoriti e spremendo campioni di minerali in celle a pressione in laboratorio, ma non erano in grado di osservare il processo mentre si svolgeva.

In LCLS, i ricercatori possono utilizzare un raggio laser intenso per creare un'onda d'urto che comprime un campione di silice, e quindi utilizzare il laser a raggi X per esaminare la sua risposta su una scala temporale di nanosecondi, o miliardesimi di secondo.

Un precedente studio SLAC, pubblicato nel 2015, dimostrato che la silice forma stishovite, una fase cristallina, entro 10 nanosecondi dall'essere colpiti dall'impulso laser iniziale. Quella ricerca ha mostrato che la trasformazione è avvenuta molto più rapidamente di quanto si credesse in precedenza. Ma l'esistenza di detriti da impatti di meteoriti composti interamente da vetro shockato suggerisce che la stishovite potrebbe essere una fase di breve durata che può convertirsi permanentemente in vetro shock dopo l'impatto.

Capovolgimento delle ipotesi

Nell'ultimo studio, gli scienziati hanno sfruttato lo strumento Matter in condizioni estreme presso LCLS per generare onde d'urto che hanno indotto vari picchi di pressione nei campioni di silice. Dopo aver inviato l'impulso laser, "Guardiamo solo cosa fa la silice in modo naturale, " disse Gleason, chi è il LANL Fredrick Reines Postdoctoral Fellow.

L'analisi dei dati di diffrazione dei raggi X presi a vari intervalli dopo il raggiungimento della pressione di picco ha mostrato che quando la pressione è sufficientemente alta, forme stishovite, ma poi ritorna al vetro shockato. I dati di diffrazione dei campioni LCLS corrispondevano ai dati dei detriti da impatto raccolti sul campo.

Gli scienziati hanno precedentemente ipotizzato che le pressioni di picco di circa 40 gigapascal - equivalenti a 400, 000 volte la pressione atmosferica intorno a noi - sono necessarie per creare vetro shock dalla silice. Ma i risultati di questo studio suggeriscono che la soglia è di circa il 25% inferiore a quella, e quella stishovite ritorna quindi allo stato di vetro shockato a causa dell'instabilità termica piuttosto che della pressione più elevata.

"Un evento di impatto ha una tempistica breve, " disse Gleason, "rendendo LCLS uno strumento ideale per comprendere la termodinamica fondamentale dei vetri formati dagli impatti". Gleason prevede di utilizzare il MEC presso LCLS per indagare su altri minerali abbondanti sulla Terra, come il feldspato, e per comprendere meglio il "libro delle regole" per i processi di trasformazione.

La ricerca di Gleason è più ampiamente applicabile ai detriti di altri pianeti, come i meteoriti di Marte che contengono anche vetro urtato. I meteoriti marziani spesso contengono composti volatili intrappolati, come vapore acqueo e metano. Nessuno capisce come questi composti vengano bloccati all'interno dei meteoriti o perché non sfuggano, ma il lavoro continuato alla LCLS potrebbe fornire risposte.