Due strani pianeti

I due grandi pianeti gassosi Urano e Nettuno presentano strani campi magnetici. Questi sono fortemente inclinati rispetto agli assi di rotazione dei pianeti e sono chiaramente sfalsati rispetto al centro fisico del pianeta. Gli scienziati planetari si interrogano da tempo sul perché di questo fenomeno. Diverse teorie ipotizzano che una struttura interna unica di questi pianeti possa essere responsabile di questo bizzarro fenomeno. Secondo questa teoria, il campo magnetico inclinato è causato dalla circolazione in uno strato convettivo costituito da un liquido elettricamente conduttivo. Questo strato convettivo circonda a sua volta uno strato non convettivo, stabilmente stratificato, nel quale, a causa dell'elevata viscosità, non si verifica alcuna circolazione del materiale e quindi non si ha alcun contributo al campo magnetico.

Condizioni eccezionali

Le simulazioni al computer mostrano che l'acqua e l'ammoniaca, i principali componenti di Urano e Nettuno, entrano in uno stato insolito a pressioni e temperature molto elevate, che ha le proprietà sia di un solido che di un liquido. In questo cosiddetto "stato superionico", gli ioni di idrogeno diventano mobili all'interno della struttura reticolare formata da ossigeno o azoto.

Le indagini sperimentali confermano che l'acqua superionica può esistere alla profondità in cui, secondo la teoria, si trova la regione stratificata stabile. ? quindi possibile che lo strato stratificato sia formato da componenti superionici. Tuttavia, non è chiaro se questi componenti siano effettivamente in grado di sopprimere la convezione, poiché le proprietà fisiche dello stato superionico non sono note.

Alta pressione nello spazio più piccolo

Tomoaki Kimura e Motohiko Murakami del Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo sono ora un passo più vicini alla risposta. I due ricercatori hanno condotto esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura con l'ammoniaca nel loro laboratorio. Lo scopo degli esperimenti era quello di determinare l'elasticità del materiale superionico. L'elasticità è una delle proprietà fisiche più importanti che influenzano la convezione termica nel mantello planetario. ? notevole che l'elasticità dei materiali allo stato solido e liquido sia completamente diversa.

Per le loro indagini, i ricercatori hanno utilizzato un apparecchio ad alta pressione chiamato "cella a incudine di diamante". In questo apparecchio, l'ammoniaca viene bloccata in un piccolo contenitore con un diametro di circa 100 micrometri tra due punte di diamante, che comprimono il campione. In questo modo è possibile esporre il materiale a pressioni estremamente elevate, come quelle prevalenti all'interno di Urano e Nettuno.

Il campione viene quindi riscaldato a oltre 2000 gradi Celsius con un laser a infrarossi. Contemporaneamente, un altro raggio laser verde illumina il campione. Misurando lo spettro d'onda della luce laser verde diffusa, è possibile determinare l'elasticità del materiale e il legame chimico dell'ammoniaca. Gli spostamenti dello spettro d'onda a diverse pressioni e temperature possono essere utilizzati per misurare l'elasticità dell'ammoniaca a diverse profondità.

Scoperta una nuova fase

Nelle loro ricerche, Kimura e Murakami hanno scoperto una nuova fase superionica dell'ammoniaca (fase γ) che presenta un'elasticità simile a quella della fase liquida. Questa nuova fase potrebbe essere stabile nell'interno profondo di Urano e Nettuno e quindi essere presente. Tuttavia, l'ammoniaca superionica non sarebbe sufficientemente viscosa, poiché si comporta come un liquido, e potrebbe quindi difficilmente contribuire alla formazione dello strato non convettivo.

I nuovi risultati rendono ancora più urgente la questione delle proprietà dell'acqua superionica all'interno di Urano e Nettuno. I nuovi risultati rendono irrisolto il mistero del perché i due pianeti abbiano un campo magnetico così irregolare.