Le profondità interne dei pianeti giganti di ghiaccio come Urano e Nettuno potrebbero contenere una forma di materia finora sconosciuta. Questa possibilità emerge da nuove simulazioni al computer condotte dagli scienziati della Carnegie Institution Cong Liu e Ronald Cohen.
Il loro studio, pubblicato su Nature Communications , suggerisce che l’idruro di carbonio potrebbe assumere uno stato superionico quasi unidimensionale insolito, in presenza delle intense pressioni e temperature che si riscontrano nelle profondità della superficie di questi pianeti lontani.
Perché gli interni planetari sono importanti
Finora sono stati scoperti più di 6.000 esopianeti, e questo numero continua a crescere. Per comprendere meglio come si formano e si evolvono i pianeti, i ricercatori di astronomia, scienze planetarie e scienze della Terra collaborano sempre più spesso. Combinando osservazioni, esperimenti e modelli teorici, mirano a svelare i processi fisici che modellano i pianeti, compreso il modo in cui vengono generati i campi magnetici.
Questo crescente interesse si estende anche agli strati nascosti all’interno dei pianeti e delle lune del nostro Sistema Solare. Studiare ciò che accade nelle profondità può fornire indizi sul comportamento planetario e persino aiutare gli scienziati a valutare se mondi lontani potrebbero ospitare la vita.
Strati di “ghiaccio bollente” all’interno dei giganti di ghiaccio
I dati sulla densità di Urano e Nettuno indicano che questi pianeti contengono strati interni insoliti, spesso descritti come “ghiacci caldi”. Queste regioni si trovano al di sotto di atmosfere esterne composte da idrogeno ed elio e al di sopra di nuclei solidi.
Gli scienziati ritengono che questi strati siano composti da acqua (H₂O ) , metano (CH₄ ) e ammoniaca (NH₄ ) . Tuttavia, le condizioni estreme presenti in questi ambienti probabilmente costringono questi composti familiari ad assumere forme esotiche e insolite.
Simulazione di condizioni planetarie estreme
Le intense pressioni e temperature all’interno dei giganti di ghiaccio possono produrre stati della materia che non esistono sulla Terra. Per esplorare questo fenomeno, Liu e Cohen hanno utilizzato il calcolo ad alte prestazioni e strumenti di apprendimento automatico per eseguire simulazioni quantistiche dettagliate dell’idruro di carbonio (CH).
Hanno simulato condizioni che vanno da quasi 5 milioni a quasi 30 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre (da 500 a 3.000 gigapascal) e temperature comprese tra 6.740 e 10.340 gradi Fahrenheit (da 4.000 a 6.000 Kelvin).
Uno strano stato superionico “a spirale”
Le simulazioni hanno rivelato una struttura sorprendente. Gli atomi di carbonio formano un reticolo esagonale ordinato, mentre gli atomi di idrogeno si muovono al suo interno lungo percorsi a spirale. Questo crea uno stato superionico quasi unidimensionale.
I materiali superionici sono insoliti perché si comportano in parte come solidi e in parte come liquidi. Un tipo di atomo rimane bloccato all’interno di una struttura cristallina, mentre un altro tipo si muove liberamente al suo interno.
“Questa fase carbonio-idrogeno, prevista di recente, è particolarmente sorprendente perché il movimento atomico non è completamente tridimensionale”, ha spiegato Cohen. “L’idrogeno si muove invece preferenzialmente lungo percorsi elicoidali ben definiti, incorporati in una struttura di carbonio ordinata.”
Implicazioni per il calore, l’elettricità e i campi magnetici
Il movimento direzionale degli atomi di idrogeno potrebbe avere effetti importanti sul flusso di energia all’interno dei pianeti. Potrebbe influenzare il modo in cui il calore e l’elettricità vengono trasportati attraverso questi strati profondi.
Queste proprietà sono particolarmente importanti per comprendere come Urano e Nettuno generano i loro campi magnetici, che differiscono in modi insoliti da quelli degli altri pianeti.
Un impatto più ampio che va oltre la scienza planetaria.
I risultati evidenziano inoltre come elementi semplici possano comportarsi in modi sorprendentemente complessi in condizioni estreme. Persino composti basilari come il carbonio e l’idrogeno possono formare strutture altamente organizzate e inaspettate.
“Il carbonio e l’idrogeno sono tra gli elementi più abbondanti nei materiali planetari, eppure il loro comportamento combinato nelle condizioni dei pianeti giganti è ancora ben lungi dall’essere completamente compreso”, ha concluso Liu.
Oltre ad aiutare gli scienziati a comprendere i pianeti lontani, questa ricerca potrebbe anche favorire progressi nella scienza e nell’ingegneria dei materiali, rivelando nuovi tipi di comportamento direzionale nella materia.
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