Uno strato di ghiaccio “caldo” elettricamente conduttivo potrebbe essere responsabile della generazione dei campi magnetici di pianeti giganti di ghiaccio come Urano e Nettuno. Un nuovo lavoro di Carnegie e del Center for Advanced Radiation Sources dell’Università di Chicago rivela le condizioni in cui si formano due di questi ghiacci superionici. I loro risultati sono pubblicati su Nature Physics.
Come imparano tutti gli scolari, le molecole d’acqua sono costituite da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno: H2O. Quando le condizioni in cui esiste l’acqua cambiano, l’organizzazione e le proprietà di queste molecole sono influenzate. Possiamo vederlo nella nostra vita quotidiana quando l’acqua liquida viene bollita in vapore o congelata in ghiaccio.
Un tipo di ghiaccio potrebbe essere responsabile della generazione dei campi magnetici di pianeti giganti di ghiaccio come Urano e Nettuno
Le molecole che compongono il ghiaccio ordinario che potresti trovare nel tuo bicchiere o sul tuo vialetto in inverno sono disposte in un reticolo cristallino tenuto insieme da legami idrogeno tra gli atomi di idrogeno e ossigeno. I legami idrogeno sono molto versatili. Ciò significa che il ghiaccio può esistere in una sorprendente diversità di strutture diverse – almeno 18 forme conosciute – che emergono in condizioni ambientali sempre più estreme.
Di particolare interesse è il cosiddetto ghiaccio superionico, formato a pressioni e temperature molto elevate, in cui vengono spostati i tradizionali legami delle molecole d’acqua, consentendo alle molecole di idrogeno di galleggiare liberamente in un reticolo di ossigeno. Questa mobilità rende il ghiaccio capace di condurre elettricità quasi quanto un materiale metallico.
Le osservazioni del ghiaccio superionico caldo creato in laboratorio hanno portato a risultati contraddittori e c’è stato un grande disaccordo sulle condizioni esatte in cui emergono le nuove proprietà.
“Così, il nostro team di ricerca, guidato da Vitali Prakapenka dell’Università di Chicago, ha deciso di utilizzare più strumenti spettroscopici per mappare i cambiamenti nella struttura e nelle proprietà del ghiaccio in condizioni che vanno fino a 1,5 milioni di volte la normale pressione atmosferica e circa 11.200 gradi Fahrenheit “, ha spiegato Alexander Goncharov di Carnegie.
In questo modo, gli scienziati, tra cui anche Nicholas Holtgrewe ex Carnegie, ora alla Food and Drug Administration di St Louis, e Sergey Lobanov, ex Carnegie, ora al GFZ German Research Center for Geosciences, sono stati in grado di individuare l’emergenza di due forme di ghiaccio superionico, una delle quali suggeriscono che potrebbe essere trovata all’interno dei pianeti giganti di ghiaccio Urano e Nettuno.
“Per sondare la struttura di questo stato unico della materia in condizioni molto estreme, riscaldato da un laser e compresso tra due diamanti, abbiamo utilizzato il brillante raggio di raggi X di sincrotrone ad alta energia della Advanced Photon Source, che è stato focalizzato fino a circa 3 micrometri, 30 volte più piccolo di un singolo capello umano”, ha affermato Prakapenka, spiegando il lavoro svolto utilizzando la linea di luce GSECARS della struttura.
“Questi esperimenti sono così impegnativi che abbiamo dovuto eseguirne alcune migliaia in un decennio per ottenere dati di alta qualità sufficienti per risolvere il mistero di lunga data del comportamento del ghiaccio ad alta pressione e alta temperatura in condizioni rilevanti per il pianeta gigante”.
“Le simulazioni hanno indicato che i campi magnetici di questi due pianeti sono generati in strati sottili e fluidi trovati a profondità relativamente basse”, ha aggiunto Goncharov. “La conduttività del ghiaccio superionico sarebbe in grado di realizzare questo tipo di generazione di campo e una delle due strutture che abbiamo rivelato potrebbe esistere nelle condizioni che si trovano in queste zone che generano campi magnetici”.
Sono necessari ulteriori studi per comprendere le proprietà conduttive e la viscosità di queste fasi di ghiaccio in condizioni interne nei giganti di ghiaccio.
