Nel cuore dei pianeti, si trovano stati estremi:temperature di migliaia di gradi, pressioni un milione di volte superiori alla pressione atmosferica. Possono quindi essere esplorati direttamente solo in misura limitata, motivo per cui la comunità di esperti sta cercando di utilizzare esperimenti sofisticati per ricreare condizioni estreme equivalenti. Un team di ricerca internazionale che comprende l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha adattato un metodo di misurazione consolidato a queste condizioni estreme e lo ha testato con successo:utilizzando i lampi di luce del laser a raggi X più potente del mondo, il team è riuscito a dare un'occhiata più da vicino all'elemento importante, carbonio, insieme alle sue proprietà chimiche. Come riportato sulla rivista Fisica dei Plasmi , il metodo ha ora il potenziale per fornire nuove intuizioni all'interno dei pianeti sia all'interno che all'esterno del nostro sistema solare.

Il caldo è inimmaginabile, la pressione enorme:le condizioni all'interno di Giove o Saturno assicurano che la materia trovata mostri uno stato insolito:è densa come un metallo ma, allo stesso tempo, carica elettricamente come un plasma. "Ci riferiamo a questo stato come materia densa calda, " spiega Dominik Kraus, fisico all'HZDR e professore all'Università di Rostock. "È uno stato di transizione tra stato solido e plasma che si trova all'interno dei pianeti, sebbene possa verificarsi brevemente sulla Terra, pure, per esempio durante gli impatti di meteoriti." Esaminare questo stato della materia in ogni dettaglio in laboratorio è un processo complicato che coinvolge, Per esempio, sparare forti lampi laser su un campione, e, per un battito di ciglia, riscaldandolo e condensandolo.

Ma quali sono le proprietà chimiche di questa materia densa e calda? Fino ad ora, i metodi esistenti hanno prodotto solo risposte insoddisfacenti a questa domanda. Così, una squadra di sei paesi ha inventato qualcosa di nuovo, basato sul laser a raggi X più potente al mondo, l'XFEL europeo di Amburgo. In un acceleratore lungo un chilometro, estremamente breve, vengono generati impulsi a raggi X intensivi. "Abbiamo diretto gli impulsi verso sottili lamine di carbonio, ", afferma l'autore principale Katja Voigt dell'Istituto di fisica delle radiazioni di HZDR. "Erano fatti di grafite o diamanti". una piccola parte dei lampi di raggi X viene dispersa sugli elettroni e sul loro ambiente immediato. La cosa cruciale è che i lampi sparsi possono rivelare che tipo di legame chimico gli atomi di carbonio hanno formato con il loro ambiente.

Dopo i dubbi è arrivata la sorpresa Conosciuta come diffusione di raggi X Raman, i ricercatori in campi come la scienza dei materiali hanno utilizzato questo metodo per un po' di tempo. Ma per la prima volta, il team attorno a Voigt e Kraus è riuscito ad equipaggiarlo per esperimenti per sondare la materia densa e calda. "Alcuni esperti erano dubbiosi che potesse funzionare, " spiega Kraus. I rilevatori, in particolare, che devono catturare i segnali a raggi X emessi dalle lamine di carbonio, devono essere altamente efficienti e ad alta risoluzione, una sfida tecnica importante. Ma l'analisi dei dati di misurazione ha mostrato chiaramente in quali stati di legame era entrato il carbonio. "Siamo rimasti un po' sorpresi che abbia funzionato così bene, "dice Voigt, ovviamente contento. Se dovessero applicare il metodo per riscaldare la materia densa, però, mancava ancora qualcosa:forti lampi laser che avrebbero portato le lamine di carbonio ad alte pressioni e temperature fino a diversi 100, 000 gradi. Per questo scopo, entra in gioco la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) che è stata recentemente inaugurata sotto gli auspici di HZDR all'European XFEL. È una delle strutture di ricerca più moderne al mondo con laser ad alte prestazioni che potrebbero eseguire i primi esperimenti Raman a raggi X in pochi mesi. "Sono davvero ottimista sul fatto che funzionerà, "dice Dominik Kraus.

Incidente della cometa in laboratorioIl metodo potrebbe facilitare molte diverse intuizioni scientifiche:per prima cosa, non è chiaro quanti elementi leggeri come il carbonio o il silicio siano presenti nel nucleo terrestre. Gli esperimenti di laboratorio potrebbero produrre importanti indicatori. "Il nuovo metodo non si limita al carbonio, ma potrebbe essere applicato ad altri elementi leggeri, Spiega Katja Voigt. Un'altra questione da esplorare riguarda l'interno dei cosiddetti giganti gassosi come Giove e dei giganti del ghiaccio come Nettuno. Qui, si verificheranno complesse reazioni chimiche, come accadranno in lontani esopianeti di statura simile. Dovrebbe essere possibile riattivare questi processi in laboratorio utilizzando il metodo Raman a raggi X. "Forse potrebbe essere possibile risolvere l'enigma su quali reazioni sono responsabili del fatto che pianeti come Nettuno e Saturno emettano più energia di quanto dovrebbero realmente, "Kraus spera.

Inoltre, questo nuovo metodo dovrebbe consentire agli scienziati di simulare gli incidenti di comete su scala in miniatura:se le comete trasportassero davvero materia organica sulla Terra una volta, l'incidente potrebbe aver innescato reazioni chimiche che hanno favorito lo sviluppo della vita? E il metodo ha anche un potenziale per applicazioni tecniche:in linea di principio, sembra possibile che, in condizioni estreme, potrebbero formarsi nuovi materiali che potrebbero esibire proprietà affascinanti. Un esempio potrebbe essere un superconduttore che funziona a temperatura ambiente e non necessita di un raffreddamento complicato come i materiali esistenti. Un superconduttore a temperatura ambiente di questo tipo sarebbe di grande interesse tecnologico in quanto potrebbe condurre l'elettricità completamente senza perdite senza doverla raffreddare con azoto liquido o elio liquido.