Un laser ultraveloce rivela com’era il nostro pianeta 4,5 miliardi di anni fa

 

Sotto la superficie terrestre, a migliaia di chilometri di profondità, ci sono enigmatiche strutture grandi come montagne e continenti. Per scoprire la natura di tali ammassi, gli scienziati hanno condotto un esperimento con un laser in grado di riprodurre, per un tempo infinitamente piccolo, le condizioni di pressione e temperatura nel magma che avvolgeva la Terra 4,5 miliardi di anni fa, appena dopo la sua formazione.

 

 

Quando la Terra stava completando la sua formazione, circa 4,5 miliardi di anni fa, era avvolta da un oceano globale di magma fuso, che si estendeva centinaia a migliaia di chilometri sotto la sua superficie, causato da violenti impatti.

Questo ambiente primordiale aveva poca somiglianza con le condizioni abitabili che sperimentiamo oggi sulla Terra.

Ciononostante, queste prime centinaia di milioni di anni sono stati cruciali nel plasmare le strutture chimiche e fisiche fondamentali del nostro pianeta come le conosciamo oggi.

Gli sviluppi chiave durante questo periodo includevano la formazione del nucleo ricco di metalli della Terra e del mantello ricco di silicati.

Nell’attuale mantello terrestre, recenti studi di imaging sismico hanno svelato grandi strutture enigmatiche delle dimensioni di una montagna o di un continente.

L’origine di queste strutture è stata dibattuta per oltre un decennio e numerosi modelli propongono che queste strutture dense sul fondo del mantello possano essere le ultime vestigia dell’antico oceano di magma globale.

Un’osservazione sperimentale critica a sostegno di questi modelli è che il ferro tende a concentrarsi maggiormente nel magma rispetto ai cristalli ad alte pressioni.

Questo fenomeno rende il magma più denso, provocandone l’affondamento. Tuttavia, persiste una domanda fondamentale: perché il ferro si dissolve preferenzialmente nel magma piuttosto che nei cristalli?

Molti hanno ipotizzato che la struttura elettronica degli atomi di ferro possa essere la chiave di questa domanda. Tuttavia, sondare la struttura elettronica degli atomi di ferro in condizioni così estreme presenta sfide formidabili.

Alla ricerca di risposte, un team internazionale di scienziati, tra cui membri del team ASU, ha condotto esperimenti sottoponendo il magma silicatico a pressioni superiori a 1 milione di bar e temperature di 3.800 gradi, utilizzando raggi laser ad alta potenza.

 I risultati delle loro scoperte sono stati recentemente pubblicati su Science Advances, con il geoscienziato della ASU School of Earth and Space Exploration e il professor Dan Shim come autore principale.

In questo esperimento di onde d’urto, il campione può mantenere uno stato fuso e altamente compresso per pochi femtosecondi (un femtosecondo è un periodo di tempo estremamente breve, equivalente a un quadrilionesimo di secondo). 

Per studiare la struttura elettronica degli atomi di ferro nel magma silicatico, che può persistere solo per un tempo così breve, hanno misurato gli spettri degli atomi di ferro nel campione utilizzando impulsi laser a raggi X ultraveloci e intensi sulle linee di luce Matter in Extreme Conditions (MEC) del Linac Coherent Light Source (LCLS), parte dello SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford.

Gli esperimenti hanno rivelato che gli elettroni negli atomi di ferro si riorganizzano in una configurazione nota come stato a basso spin, risultando in uno stato più denso.

Questo stato più denso è più stabile per gli atomi di ferro a pressioni estreme, rendendo il magma un ambiente più favorevole per gli atomi di ferro.

Questa trasformazione su scala atomica da esperimenti ultraveloci fornisce una spiegazione del motivo per cui il magma  diventava più denso dei cristalli mentre l’oceano di magma si stava solidificando, chiarendo come le strutture osservate negli studi sismici si siano formate e persistano nella parte più profonda del mantello.

Sorprendentemente, questi esperimenti hanno anche raggiunto le condizioni di pressione che ci si aspetta di trovare negli esopianeti super-Terra, che sono pianeti rocciosi oltre il nostro sistema solare con raggi da uno a 1,8 volte maggiori di quello terrestre.

I risultati suggeriscono che la densificazione del magma potrebbe verificarsi in misura molto maggiore negli oceani di magma delle super-Terre.

Altri studi hanno indicato che i magmi silicati densi e ricchi di ferro possono generare dinamo ad alte pressioni. Pertanto, questo studio può contribuire a capire se i magmi silicati nelle super-Terre possono contribuire alla generazione di campi magnetici, potenzialmente schermando le sottili atmosfere di questi pianeti dall’intensa radiazione emessa dalle loro stelle ospiti.  

 

Immagine: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory