Un recente studio, condotto da scienziati cinesi e belgi e pubblicato sulla rivista Nature Communications, suggerisce che il confine tra nucleo e mantello (CMB) di Mercurio include uno strato di diamanti, potenzialmente spesso fino a 18 chilometri, in profondità all’interno del pianeta.
Mercurio, il pianeta più piccolo e più interno del nostro Sistema Solare, ha a lungo lasciato perplessi gli scienziati con la sua superficie straordinariamente scura e l’elevata densità del nucleo. Precedenti missioni, come la sonda spaziale MESSENGER della NASA, avevano rivelato che la superficie di Mercurio contiene quantità significative di grafite, una forma di carbonio. Ciò ha portato i ricercatori a credere che la storia primordiale del pianeta coinvolgesse un oceano di magma ricco di carbonio.
Phys.org ha parlato con uno dei coautori dello studio, il Dott. Yanhao Lin, del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research di Pechino. “Molti anni fa, ho notato che l’altissimo contenuto di carbonio di Mercurio potrebbe avere implicazioni significative. Mi ha fatto capire che probabilmente è successo qualcosa di speciale al suo interno”, ha detto Lin.
Cosa sappiamo di Mercurio
Le informazioni più dettagliate su Mercurio provengono dalle missioni MESSENGER e Mariner 10 della NASA. Le precedenti osservazioni della sonda spaziale MESSENGER avevano rivelato che la superficie di Mercurio è insolitamente scura a causa della presenza diffusa di grafite. Si ritiene che l’abbondanza di carbonio sulla superficie provenga da un antico strato di grafite che è arrivato in superficie in tempi antichi. Ciò suggerisce che Mercurio un tempo aveva uno strato superficiale fuso o un oceano di magma contenente una quantità significativa di carbonio. Nel tempo, mentre il pianeta si raffreddava e si solidificava, questo carbonio ha formato una crosta di grafite sulla superficie.
Tuttavia, i ricercatori contestano l’ipotesi che la grafite fosse l’unica fase stabile contenente carbonio durante la cristallizzazione dell’oceano di magma di Mercurio. Questo è il momento in cui il mantello del pianeta (strato intermedio) si raffredda e si solidifica.
Le prime ipotesi sulla crosta di grafite si basavano su previsioni di temperatura e pressione inferiori presso il confine tra nucleo e mantello. Ma studi più recenti propongono che il CMB sia più profondo di quanto si pensasse in passato, spingendo i ricercatori a rivalutare la crosta di grafite. Inoltre, un altro studio ha anche suggerito la presenza di zolfo nel nucleo di ferro di Mercurio. La presenza di zolfo potrebbe avere un effetto sulla cristallizzazione dell’oceano di magma di Mercurio, mettendo così in discussione l’affermazione originale sulla presenza di sola grafite durante quella fase.
Ricreare le condizioni dell’interno di Mercurio
Per ricreare le condizioni dell’interno di Mercurio, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di esperimenti ad alta pressione e temperatura e modelli termodinamici. “Utilizziamo la pressa a grande volume per imitare le condizioni di alta temperatura e alta pressione del confine nucleo-mantello di Mercurio e le combiniamo con i modelli geofisici e i calcoli termodinamici”, ha spiegato Lin.
I ricercatori hanno utilizzato silicato sintetico come materiale di partenza per assomigliare alla composizione del mantello di Mercurio. Questo è un metodo comunemente utilizzato per studiare l’interno dei pianeti. I ricercatori hanno raggiunto livelli di pressione fino a 7 Giga Pascal (GPa), circa sette volte la pressione riscontrata nelle parti più profonde della Fossa delle Marianne. In queste condizioni, il team ha studiato come i minerali (quelli presenti all’interno di Mercurio) si fondono e raggiungono fasi di equilibrio e ha caratterizzato queste fasi, concentrandosi su quelle di grafite e diamante. Hanno anche analizzato la composizione chimica dei campioni sperimentali.
“Quello che facciamo in laboratorio è imitare le pressioni e le temperature estreme dell’interno di un pianeta. A volte è una cosa impegnativa; devi spingere i dispositivi per adattarli alle tue esigenze. Le configurazioni sperimentali devono essere estremamente precise per simulare queste condizioni”, ha spiegato Lin.
I ricercatori hanno anche utilizzato la modellazione geofisica per studiare i dati osservati sull’interno di Mercurio. “I modelli geofisici provengono principalmente dai dati raccolti dalle sonde spaziali e ci dicono le strutture fondamentali dell’interno di un pianeta“, ha affermato Lin. Gli esperti hanno utilizzato il modello per prevedere la stabilità di fase, calcolare le pressioni e le temperature del CMB e simulare la stabilità della grafite e del diamante a temperature e pressioni estreme.
I diamanti si formano sotto pressione
Integrando i dati sperimentali con simulazioni geofisiche, i ricercatori sono stati in grado di stimare la pressione del CMB di Mercurio a circa 5,575 GPa. Con un contenuto di zolfo di circa l’11%, i ricercatori hanno osservato un notevole cambiamento di temperatura di 358 Kelvin nell’oceano di magma di Mercurio. I ricercatori propongono che, sebbene la grafite fosse probabilmente la fase di carbonio dominante durante la cristallizzazione dell’oceano di magma, la cristallizzazione del nucleo ha portato alla formazione di uno strato di diamanti nel CMB.
“Lo zolfo abbassa il liquidus dell’oceano di magma di Mercurio. Se il diamante si forma nell’oceano di magma, può affondare e depositarsi nel CMB. D’altro canto, lo zolfo aiuta anche la formazione di uno strato di solfuro di ferro nel CMB, che è correlato al contenuto di carbonio durante la differenziazione planetaria”, ha spiegato Lin.
La differenziazione planetaria si riferisce al processo in cui un pianeta diventa strutturato internamente, ovvero il centro o nucleo, verso cui affondano i minerali più pesanti, e la superficie o crosta, verso cui salgono i minerali più leggeri.
Secondo le loro scoperte, lo strato di diamante nel CMB ha uno spessore stimato tra 15 e 18 chilometri. I ricercatori suggeriscono inoltre che la temperatura attuale nel CMB di Mercurio è vicina al punto in cui la grafite può trasformarsi in diamante, stabilizzando di conseguenza la temperatura nel CMB.
Sistemi esoplanetari ricchi di carbonio
Una delle implicazioni di queste scoperte riguarda il campo magnetico di Mercurio, che è insolitamente forte per le sue dimensioni. Lin ha spiegato: “il carbonio del nucleo fuso diventa sovrasaturato raffreddandosi, formando diamante e fluttuando verso il CMB. L’elevata conduttività termica del diamante aiuta a trasferire efficacemente il calore dal nucleo al mantello, causando la stratificazione della temperatura e il cambiamento della convezione nel nucleo esterno liquido di Mercurio, e quindi influenzando la generazione del suo campo magnetico”.
In termini più semplici, quando il calore viene trasferito dal nucleo al mantello, influenza i gradienti di temperatura e la convezione nel nucleo esterno liquido di Mercurio, che influenza la generazione del suo campo magnetico.
Lin ha anche sottolineato il ruolo cruciale svolto dal carbonio nella formazione di sistemi esoplanetari ricchi di carbonio. “Potrebbe anche essere rilevante per la comprensione di altri pianeti terrestri, in particolare quelli con dimensioni e composizioni simili. I processi che hanno portato alla formazione di uno strato di diamante su Mercurio potrebbero essersi verificati anche su altri pianeti, lasciando potenzialmente firme simili”, ha concluso Lin.
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