Nel cuore dei mondi alieni, i cristalli si formano sotto pressioni fino a 40 milioni di volte più intense della pressione atmosferica sulla Terra e fino a 10 volte più intense della pressione nel nucleo del nostro pianeta. Comprenderli meglio potrebbe aiutarci a cercare la vita altrove nella nostra galassia.
In questo momento, gli scienziati non sanno quasi nulla di questi misteriosi cristalli. Non sanno come e quando si formano, che aspetto hanno o come si comportano. Ma le risposte a queste domande potrebbero avere enormi implicazioni per le superfici di quei mondi, sia che siano coperte da magma che scorre o ghiaccio, sia che siano bombardate dalle radiazioni delle loro stelle ospiti. La risposta, a sua volta, potrebbe influenzare la possibilità che questi pianeti ospitino la vita.
Gli interni di questi esopianeti sono misteriosi per noi perché, nel nostro sistema solare, i pianeti tendono ad essere piccoli e rocciosi, come Terra e Marte, o grandi e gassosi, come Saturno e Giove. Ma negli ultimi anni, gli astronomi hanno scoperto che i cosiddetti "super-Terre" - pianeti rocciosi giganti - e "mini-Nettuno" - pianeti gassosi più piccoli di quelli esistenti nel nostro sistema solare - sono più comuni nel resto della nostra galassia.
Poiché questi pianeti possono essere visti solo come deboli tremoli nella luce proveniente dalle loro stelle ospiti, molto su di loro rimane misterioso. Sono superdensi o super wide? Di cosa sono fatte le loro superfici? Hanno campi magnetici? Le risposte a queste domande, a quanto pare, dipendono fortemente da come si comportano la roccia e il ferro nei loro nuclei ultrapressurizzati.
I limiti della scienza attuale
In questo momento, la nostra comprensione degli esopianeti si basa principalmente sul ridimensionamento o riduzione di ciò che sappiamo dei pianeti nel nostro sistema solare, ha detto Diana Valencia, una scienziata planetaria presso l'Università di Toronto in Canada, che ha convocato alla riunione di marzo degli americani Physical Society (APS) per i fisici minerali per esplorare questi materiali esoplanetari esotici.
Il problema con l'approccio del ridimensionamento è che non puoi davvero capire come si comporterà il ferro a 10 volte la pressione del nucleo terrestre semplicemente moltiplicandosi, ha detto. A quelle enormi pressioni, le proprietà dei prodotti chimici cambiano radicalmente.
"Ci aspetteremmo di trovare cristalli all'interno delle super-terre che non esistono sulla Terra, o in qualsiasi altra parte della natura, del resto", ha detto Lars Stixrude, un teorico fisico minerale dell'Università della California, a Los Angeles, che ha fatto lavoro teorico di base per calcolare le proprietà di questi materiali estremi. "Questi sarebbero arrangiamenti unici degli atomi che esistono solo ad altissima pressione".
Queste diverse disposizioni accadono, ha detto a Live Science, perché enormi pressioni cambiano sostanzialmente il modo in cui gli atomi si legano insieme. Sulla superficie terrestre e persino nel profondo del nostro pianeta, gli atomi si collegano usando solo gli elettroni nei loro gusci esterni. Ma alle pressioni della super-Terra, gli elettroni più vicini al nucleo atomico vengono coinvolti e cambiano completamente le forme e le proprietà dei materiali.
E quelle proprietà chimiche potrebbero influenzare il comportamento di interi pianeti. Ad esempio, gli scienziati sanno che le super-terre intrappolano molto calore. Ma non sanno quanto - e la risposta a questa domanda ha importanti implicazioni per i vulcani di quei pianeti e la tettonica a zolle. Alle pressioni interne della Terra, elementi più leggeri si mescolano al nucleo di ferro, incidendo sul campo magnetico del pianeta, ma ciò potrebbe non accadere a pressioni più elevate. Anche la dimensione fisica delle super-terre dipende dalla struttura cristallina dei composti nei loro nuclei.
Ma senza pianeti di questo tipo da studiare da vicino nel nostro sistema solare, ha detto Valencia, gli scienziati devono ricorrere a calcoli fisici di base ed esperimenti per rispondere a questo tipo di domande. Ma quei calcoli spesso rivelano risposte aperte, ha affermato Stixrude. Per quanto riguarda gli esperimenti?
"Quelle pressioni e temperature vanno oltre le capacità della maggior parte della tecnologia e degli esperimenti che abbiamo oggi", ha detto.
Costruire una super-Terra sulla Terra normale
Sulla Terra, gli esperimenti di pressione più estrema prevedono la frantumazione di piccoli campioni tra i punti affilati di due diamanti industriali.
Ma quei diamanti tendono a frantumarsi molto prima di raggiungere le pressioni della super-Terra, ha detto Stixrude. Per aggirare i limiti dei diamanti, i fisici si stanno rivolgendo a esperimenti di compressione dinamica, del tipo eseguito dal fisico minerale Tom Duffy e dal suo team alla Princeton University.
Questi esperimenti producono più pressioni simili alla super-Terra, ma solo per frazioni di secondo.
"L'idea è di irradiare un campione con un laser ad altissima potenza, riscaldare rapidamente la superficie di quel campione e soffiare via un plasma", ha detto a Live Science Duffy, che ha presieduto la sessione APS in cui Valencia ha parlato.
Pezzi del campione, improvvisamente riscaldati, esplodono dalla superficie, creando un'onda di pressione che si muove attraverso il campione.
"È davvero come un effetto di un missile", ha detto Duffy.
I campioni coinvolti sono minuscoli, quasi piatti e appena un millimetro di superficie, ha detto. E il tutto dura una questione di nanosecondi. Quando l'onda di pressione raggiunge la parte posteriore del campione, l'intera cosa si frantuma. Ma attraverso attente osservazioni durante quei brevi impulsi, Duffy e i suoi colleghi hanno capito le densità e persino le strutture chimiche del ferro e di altre molecole sotto pressioni mai sentite prima.
Ci sono ancora molte domande senza risposta, ma lo stato delle conoscenze sul campo sta cambiando rapidamente, ha detto Valencia. Ad esempio, il primo documento sulla struttura delle super-terre (che Valencia ha pubblicato nel febbraio 2007 su The Astrophysical Journal come studente laureato ad Harvard) è obsoleto perché i fisici hanno ottenuto nuove informazioni sulle sostanze chimiche all'interno del nostro pianeta.
Rispondere a queste domande è importante, ha detto Duffy, perché possono dirci se mondi alieni distanti hanno caratteristiche come la tettonica a zolle, il magma che scorre e i campi magnetici - e quindi se possono sostenere la vita.
