Meringa d’acqua e silice nei sub-nettuniani


Rappresentazione artistica di K2-18b, un esopianeta noto per avere acqua e temperature compatibili con la vita.

Osservazioni astrofisiche hanno mostrato che i pianeti sub-nettuniani sono piuttosto comuni nella nostra galassia. Come Urano e Nettuno, sono coperti da uno spesso strato d’acqua ghiacciata sovrastante un mantello roccioso. Il primo studio di laboratorio mirato alla comprensione della zona di transizione fra questi due strati ha trovato che acqua e silice sono mutuamente solubili l’uno nell’altra ad alte pressioni e temperature, e formano una nuova fase solida in cui silicio, ossigeno e idrogeno coesistono.


Come non mai in questo periodo a chi risiede all’estero – qual è il caso di chi scrive – mancano i prodotti e le specialità italiane, esaurite da tempo nelle nostre dispense. Si spengono le candeline a distanza per i compleanni dei familiari e li si osserva davanti a una millefoglie, un tiramisù, una meringata… Già, la meringata. È ancor oggi oggetto di contendere la paternità della meringa, fra Italia, Francia e Svizzera. Tanto che modalità diverse di realizzazione della stessa vengono attribuite ai diversi paesi. Per noi italiani comunque, non ci sono dubbi. Come per il tiramisù, del resto. Ad ogni modo, che sia quella italiana, quella svizzera o quella francese, la realizzazione della meringa si basa su un processo di trasformazione fisico-chimica di due ingredienti: albume d’uovo e zucchero. L’albume, anche da solo, è in grado di inglobare aria e produrre schiuma tramite sbattimento, ma la presenza dello zucchero crea un legame forte, catturando l’acqua e legandola alla parte proteica. Si potrebbe quindi dire che l’acqua è il soluto in una soluzione chimica in cui l’albume fa da solvente. Esattamente il contrario di quel che siamo soliti pensare con acqua e zucchero, ad esempio.

Ed esattamente quello che sembra avvenire in alcuni pianeti ricchi d’acqua come Urano, nel Sistema solare, o in altri pianeti presenti nella nostra galassia – i cosiddetti “sub-nettuniani”, o “terre d’acqua”. Un team internazionale di scienziati guidato dalla Arizona State University (Asu) ha scoperto che in questi pianeti, il cui interno è stratificato in una spessa crosta di ghiaccio d’acqua in superficie – da 100 a 1000 km – e roccia in profondità, la transizione fra i due strati non sarebbe netta: la solubilità dell’acqua nella silice darebbe la prima conferma all’ipotesi secondo cui il confine fra i due strati sia, per così dire, una meringa.

Sebbene questi giganti d’acqua siano abbastanza comuni nella nostra galassia, infatti, la loro diversità dalla Terra li rende poco conosciuti quanto a struttura, composizione chimica e cicli geochimici.

I principali ingredienti chimici nella ricetta dei pianeti sono, assieme a gas (idrogeno ed elio) e metalli (ferro e leghe), rocce (silicati, ossidi e persino carburi) e ghiacci (d’acqua, metano o ammoniaca).

A causa della loro differenza di densità, questi ultimi si disporranno in due strati separati che vedranno il ghiaccio, più leggero fra i due, emergere in superficie e coprire la roccia sottostante. I modelli che descrivono la struttura interna di Urano e Nettuno, i due giganti d’acqua del Sistema solare, hanno da sempre assunto proprio una separazione completa fra ghiaccio e roccia. Alcuni modelli recenti per Urano però, hanno trovato un maggior riscontro con la sua luminosità osservata – riflessa dal Sole, come tutti i pianeti – ipotizzando un gradiente nella composizione chimica nello strato di ghiaccio, dovuto alla presenza di materiali rocciosi.

Ipotesi che finora è rimasta tale, dal momento che gli scienziati non avevano risposta alcuna alla domanda: ghiaccio e roccia possono reagire l’uno con l’altra nelle condizioni di pressione e temperatura che troviamo negli strati profondi di questi pianeti?

Sebbene sia infatti noto che acqua e silicati reagiscono sulla superficie dei pianeti – dove pressione e temperatura non hanno valori estremi – per formare silicati-idrati, non è scontato che lo stesso avvenga all’interno, nella regione di transizione. Condizioni estreme di pressione e temperatura possono cambiare in modo fondamentale il comportamento degli elementi e dei composti chimici, basti pensare alle due più famose forme allotropiche del carbonio, la grafite ed il diamante.

Cella a incudine di diamante.

Una prima verifica di questa ipotesi arriva proprio da questo studio. Utilizzando acqua e silice come archetipi di ghiaccio e roccia, Carole Nisr e collaboratori hanno riprodotto le particolari condizioni di pressione e temperatura presenti all’interno di pianeti extrasolari sub-nettuniani come Trappist-1c e Gj 1214b, alle profondità in cui si pensa che avvenga la transizione fra i due strati.

Per simulare il substrato planetario, i due composti sono stati inseriti in una cella a incudine di diamante – presso il Lab for Earth and Planetary Materials dell’Asu, dove lavora uno dei coautori dello studio, Dan Shim – un dispositivo che consente la compressione di materiali a pressioni estreme. Quelle raggiunte in questo studio sono circa 70 gigapascal, settecentomila volte la pressione atmosferica. Parallelamente, acqua e silice sono state scaldate utilizzando un fascio laser raggiungendo qualche migliaio di gradi. Infine, le trasformazioni chimiche e le transizioni di fase conseguenti alla variazione di questi due parametri – pressione e temperatura – sono state monitorate grazie ai profili di diffrazione generati dal passaggio di raggi X.

I risultati – pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences – hanno mostrato la creazione di una nuova fase solida, dove silicio, idrogeno e ossigeno coesistono.

«Attraverso il nostro esperimento, abbiamo scoperto una reazione fra acqua e silice e un regime di stabilità di una fase solida con composizione intermedia che finora erano sconosciute», spiega Nisr. «A elevate pressioni e temperature, la transizione fra acqua e roccia sembrava essere sorprendentemente sfocata».

Un grande numero di terre d’acqua del genere, fra gli esopianeti, sarebbe candidato ad avere una graduale trasformazione da acqua a roccia in quel che gli scienziati chiamano “strato di ghiaccio diluito”. «Il nostro studio ha implicazioni importanti e solleva nuove domande circa la composizione chimica e la struttura dell’interno di questi pianeti ricchi d’acqua», conclude la prima autrice. «Il ciclo geochimico dei pianeti ricchi d’acqua potrebbe essere molto differente da quello di pianeti rocciosi come la Terra».

Somiglianze e implicazioni per la nostra Terra, tuttavia, da questo studio ne arrivano. A conclusione dell’articolo, infatti, gli autori indicano che la capacità della silice di immagazzinare acqua potrebbe alterare il ciclo dell’acqua nelle profondità di pianeti rocciosi come il nostro. Disomogeneità chimiche simili a quelle dei sub-nettuniani potrebbero originarsi nella crosta oceanica in subduzione, rimanendo presenti per ere geologiche negli strati più profondi del mantello. Questa ipotesi troverebbe evidenza immediata nelle rocce basaltiche delle isole oceaniche, originate negli strati più profondi del mantello e contenenti molta più acqua rispetto ai basalti delle dorsali oceaniche, provenienti invece dal mantello superiore.

Per approfondire leggi su Proceedings of the National Academy of Sciences l’articolo “Large H2O solubility in dense silica and its implications for the interiors of water-rich planets”.

Fonte