Un indizio su ciò che si trova sotto le superfici di Urano e Nettuno

Pioggia di diamanti? Acqua super-ionica? Queste sono solo due proposte che gli scienziati planetari hanno elaborato per ciò che si trova sotto le atmosfere spesse e bluastre di idrogeno ed elio di Urano e Nettuno, i giganti di ghiaccio unici, ma superficialmente insipidi, del nostro sistema solare.

Uno scienziato planetario dell’Università della California, Berkeley, propone ora una teoria alternativa, secondo cui gli interni di entrambi questi pianeti sono stratificati e che i due strati, come petrolio e acqua, non si mescolano.

Questa configurazione spiega chiaramente gli insoliti campi magnetici dei pianeti e implica che è improbabile che le precedenti teorie degli interni siano vere.

In un articolo apparso sulla rivista Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze , Burkhard Militzer sostiene che un oceano profondo di acqua si trova appena sotto gli strati nuvolosi e, al di sotto, un fluido altamente compresso di carbonio, azoto e idrogeno.

Le simulazioni al computer mostrano che sotto le temperature e le pressioni degli interni dei pianeti, una combinazione di acqua (H₂O), metano (CH₃) e ammoniaca (NH₃) si separerebbe naturalmente in due strati, principalmente perché l’idrogeno verrebbe spremuto dal metano e dall’ammoniaca che comprendono gran parte delle profondità interne.

Questi strati immiscibili spiegherebbero perché né Urano né Nettuno hanno un campo magnetico come quello terrestre. Quella è stata una delle scoperte sorprendenti sui giganti di ghiaccio del nostro sistema solare fatte dalla missione Voyager 2 alla fine degli anni ’80.

“Ora abbiamo, direi, una buona teoria per cui Urano e Nettuno hanno campi davvero diversi, ed è molto diverso da Terra, Giove e Saturno”, ha detto Militzer, professore di scienze della terra e planetarie alla UC Berkeley.

Se altri sistemi stellari hanno composizioni simili alle nostre, ha detto Militzer, i giganti di ghiaccio attorno a quelle stelle potrebbero benissimo avere strutture interne simili.

I pianeti delle dimensioni di Urano e Nettuno — cosiddetti pianeti sub-Nettuno — sono tra gli esopianeti più comuni scoperti fino ad oggi.

Quando un pianeta si raffredda dalla sua superficie verso il basso, il materiale freddo e più denso affonda, mentre macchie di fluido più caldo si sollevano come acqua bollente — un processo chiamato convezione.

Se l’interno è elettricamente conduttivo, uno spesso strato di materiale convettivo genererà un campo magnetico dipolare simile a quello di una barra magnetica.

Il campo di dipoli della Terra, creato dal suo nucleo di ferro esterno liquido, produce un campo magnetico che si estende dal Polo Nord al Polo Sud ed è la ragione per cui le bussole puntano verso i poli.

Ma la Voyager 2 ha scoperto che nessuno dei due giganti di ghiaccio ha un tale campo dipolare, solo campi magnetici disorganizzati. Ciò implica che non vi è alcun movimento convettivo del materiale in uno spesso strato nelle profondità interne dei pianeti.

Per spiegare queste osservazioni, due gruppi di ricerca separati hanno proposto più di 20 anni fa che i pianeti dovessero avere strati che non possono mescolarsi, prevenendo così una convezione su larga scala e un campo magnetico dipolare globale.

Tuttavia, la convezione in uno degli strati potrebbe produrre un campo magnetico disorganizzato. Ma nessuno dei due gruppi è riuscito a spiegare di cosa fossero fatti questi strati non mescolanti.

Dieci anni fa, Militzer cercò ripetutamente di risolvere il problema, utilizzando simulazioni al computer di circa 100 atomi con le proporzioni di carbonio, ossigeno, azoto e idrogeno che riflettevano la composizione nota degli elementi nel primo sistema solare.

Alle pressioni e temperature previste per l’interno dei pianeti — 3,4 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre e 4.750 Kelvin (8.000°F), rispettivamente — non riuscì a trovare un modo per la formazione degli strati.

L’anno scorso, tuttavia, con l’aiuto dell’apprendimento automatico, è stato in grado di eseguire un modello computerizzato simulando il comportamento di 540 atomi e, con sua sorpresa, ha scoperto che gli strati si formano naturalmente man mano che gli atomi vengono riscaldati e compressi.

“Un giorno ho guardato il modello e l’acqua si era separata dal carbonio e dall’azoto. Ciò che non potevo fare 10 anni fa stava accadendo ora”, ha detto.

“Ho pensato: ‘Wow! Ora so perché si formano gli strati: uno è ricco d’acqua e l’altro è ricco di carbonio, e in Urano e Nettuno è il sistema ricco di carbonio che si trova al di sotto. La parte pesante rimane nella parte inferiore, mentre la parte più leggera rimane sopra e non può fare alcun convettore.’”

“Non potevo scoprirlo senza avere un grande sistema di atomi, e il grande sistema che non potevo simulare 10 anni fa”, ha aggiunto.

La quantità di idrogeno spremuto aumenta con la pressione e la profondità, formando uno strato di carbonio-azoto-idrogeno stabilmente stratificato, quasi come un polimero plastico, ha detto.

Mentre lo strato superiore, ricco di acqua, probabilmente convoglia per produrre il campo magnetico disorganizzato osservato, lo strato più profondo e stratificato ricco di idrocarburi non può.

Quando modellò la gravità prodotta da Urano e Nettuno stratificati, i campi gravitazionali corrispondevano a quelli misurati da Voyager 2 quasi 40 anni fa.

“Se chiedete ai miei colleghi, ‘Cosa ne pensate che spieghi i campi di Urano e Nettuno?’ potrebbero dire: ‘Beh, forse è questa pioggia di diamanti, ma forse è questa proprietà dell’acqua che chiamiamo superionica,’”, ha detto. “Dal mio punto di vista, questo non è plausibile. Ma se abbiamo questa separazione in due strati separati, questo dovrebbe spiegarla.”

Militzer prevede che al di sotto dell’atmosfera spessa 3.000 km di Urano si trovi uno strato ricco di acqua spesso circa 5.000 km e al di sotto di esso uno strato ricco di idrocarburi spesso anche circa 5.000 km.

Il suo nucleo roccioso ha all’incirca le dimensioni del pianeta Mercurio. Sebbene Nettuno sia più massiccio di Urano, ha un diametro più piccolo, con un’atmosfera più sottile, ma strati altrettanto spessi ricchi di acqua e idrocarburi. Il suo nucleo roccioso è leggermente più grande di quello di Urano, approssimativamente delle dimensioni di Marte.

Spera di lavorare con colleghi in grado di testare con esperimenti di laboratorio a temperature e pressioni estremamente elevate se si formano strati nei fluidi con le proporzioni di elementi presenti nel sistema protosolare.

Una proposta di missione della NASA su Urano potrebbe anche fornire conferma, se la navicella ha a bordo un imager Doppler per misurare le vibrazioni del pianeta.

Un pianeta stratificato vibrerebbe a frequenze diverse rispetto a un pianeta convettore, ha detto Militzere. Il suo prossimo progetto è utilizzare il suo modello computazionale per calcolare in che modo le vibrazioni planetarie differirebbero.

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (PHY-2020249) come parte del Center for Matter at Atomic Pressures.