La temperatura e la pressione all'interno di Giove vanno da circa -100°C vicino al bordo a circa 15, 000°C e 50m volte la pressione atmosferica terrestre nel mezzo. Saturno, Urano e Nettuno sono pentole a pressione simili. Mentre scendiamo in Giove, possiamo vedere la materia allo stato gassoso, allo stato liquido e in un altro, stato meno noto, chiamato stato di "fluido supercritico".

Comprendere i fluidi supercritici non è importante solo per gli scienziati planetari, viene utilizzato anche in processi industriali come la produzione di energia e la lavorazione degli alimenti.

Quando facciamo bollire l'acqua sulla Terra, cambia "fase" passando da uno stato liquido a uno gassoso. Ciò è dovuto a un improvviso cambiamento drammatico nella densità e ad altre proprietà chiamate "transizioni di fase". Però, se hai spremuto l'acqua a 1, 000 volte la pressione atmosferica e poi riscaldato mantenendo la pressione, non osserveresti più l'ebollizione in quanto tale. Le molecole d'acqua sfreccerebbero con più energia, e la densità diminuirà gradualmente, ma non ci sarebbe ebollizione improvvisa (transizione di fase). Questo è ciò che costituisce lo stato fluido supercritico:non è né un liquido né un gas.

Il modo esatto in cui si comportano i liquidi e i fluidi supercritici ha portato gli scienziati a grattarsi la testa per decenni. Ma una nuova ricerca ha fatto luce su questo problema, alimentando la speranza di poter presto ottenere una comprensione molto migliore di ciò che accade nel profondo dei pianeti giganti di gas.

Gli scienziati hanno a lungo ipotizzato che i liquidi e i fluidi supercritici si comportino come gas densi, con molecole che si muovono costantemente liberamente. Ma negli anni Trenta, il fisico russo Yakov Ilyich Frenkel ha messo in dubbio questa ipotesi, proponendo che in determinate condizioni si comporteranno invece come solidi (dove gli atomi sono bloccati), tranne che gli atomi saltuariamente saltellano da un posto all'altro. Possiamo chiamare liquidi e fluidi supercritici in queste condizioni "liquidi densi".

Ignorato per decenni, questo approccio ha avuto una seconda vita nell'ultimo decennio in quanto è stato utilizzato con successo per prevedere la capacità termica dei liquidi. La capacità termica è una proprietà fondamentale dei liquidi, determinare il modo in cui il calore viene immagazzinato e scorre intorno ai pianeti, centrali elettriche e tutto il resto.

Occorre quindi tracciare una linea di demarcazione (la "linea di Frenkel"), fino a pressioni e temperature arbitrariamente elevate, tra condizioni in cui i liquidi densi si comportano in modo simile ai gas, e condizioni in cui l'approccio di Frenkel – assumendo un comportamento simile ai solidi – è valido. Ma come deve essere definita la linea? Quanto è improvviso? Queste domande devono essere affrontate con esperimenti.

Esperimenti potenti

Quest'anno, sono stati pubblicati due studi innovativi in ​​cui questa linea è stata tracciata dalle osservazioni. Nel primo studio, una delle più potenti sorgenti di luce di sincrotrone al mondo (l'Advanced Photon Source vicino a Chicago) è stata utilizzata per definire la pressione - 6, 500 volte l'atmosfera terrestre - in cui uno dei fluidi modello più fondamentali, neon supercritico, inizia a comportarsi come un liquido denso come modellato da Frenkel.

Nel secondo studio, i dati di un'altra potente sorgente di raggi X (l'European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble) sono stati combinati con misurazioni nel mio laboratorio a Manchester per determinare il modo in cui vibrano gli atomi nelle molecole di metano per fare un'osservazione simile. Abbiamo scoperto che il metano inizia a comportarsi come un liquido denso a circa 2, 000 atmosfere di pressione.

Abbiamo scoperto che un elemento chiave del puzzle era già presente in letteratura, risalente al 1986; una dimostrazione che le vibrazioni nel metano gassoso si comportano in modo completamente opposto alle vibrazioni che siamo abituati a vedere in liquidi e solidi densi. La sua importanza semplicemente non era stata riconosciuta.

Il nostro studio ha avuto un ulteriore vantaggio rispetto allo studio sul neon:il metano è ovunque nel nostro sistema solare. I giganti gassosi Urano e Nettuno ne sono pieni, e forse la comprensione del metano risponderà a molti dei misteri che questi pianeti pongono. Gli scienziati planetari hanno perso il sonno per decenni per questioni come come cambia la composizione mentre ti addentri in Urano e Nettuno e se la superficie di Urano è davvero il luogo più freddo del sistema solare.

La speranza è ora di applicare questi nuovi risultati sugli stati liquidi e fluidi supercritici della materia per rispondere a questi e ad altri misteri di vecchia data.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.