Al confine tra nucleo e mantello di Mercurio potrebbe esistere uno strato di diamante spesso 18 km
Gli scienziati hanno modellato gli strati di Mercurio e hanno scoperto che il confine tra il nucleo e il mantello includerebbe uno strato di diamante, potenzialmente spesso fino a 18 chilometri, nelle profondità dell'interno del pianeta.
Un recente studio pubblicato su Nature Communications da scienziati cinesi e belgi suggerisce che il confine nucleo-mantello (CMB) di Mercurio comprende uno strato di diamante, potenzialmente spesso fino a 18 chilometri, nelle profondità dell'interno del pianeta.
Il sorprendente Mercurio: un pianeta ricco di carbonio
Mercurio, il pianeta più piccolo e più interno del nostro sistema solare, ha a lungo lasciato perplessi gli scienziati a causa della sua superficie notevolmente scura e dell'alta densità del suo nucleo. Missioni precedenti, come la sonda spaziale MESSENGER della NASA, avevano rivelato che la superficie di Mercurio contiene quantità significative di grafite, una forma di carbonio. Ciò ha indotto i ricercatori a ritenere che all'inizio della storia del pianeta vi fosse un oceano di magma ricco di carbonio.
Phys.org ha parlato con uno dei coautori dello studio, il dottor Yanhao Lin, del Beijing Advanced Research Center for High Pressure Science and Technology.
"Molti anni fa mi sono reso conto che l'altissimo contenuto di carbonio di Mercurio poteva avere importanti implicazioni. Mi sono reso conto che probabilmente al suo interno stava accadendo qualcosa di speciale", ha dichiarato il dottor Lin.
Le informazioni più dettagliate su Mercurio provengono dalle missioni MESSENGER e Mariner 10 della NASA.
Le precedenti osservazioni della sonda MESSENGER avevano rivelato che la superficie di Mercurio è insolitamente scura a causa della diffusa presenza di grafite.
Ciò suggerisce che un tempo Mercurio aveva uno strato superficiale fuso o un oceano magmatico che conteneva una quantità significativa di carbonio.
Nel corso del tempo, quando il pianeta si è raffreddato e solidificato, questo carbonio ha formato una crosta di grafite sulla superficie.
Tuttavia, i ricercatori mettono in dubbio l'ipotesi che la grafite fosse l'unica fase stabile contenente carbonio durante la cristallizzazione dell'oceano magmatico di Mercurio, ovvero quando il mantello del pianeta (strato intermedio) si raffredda e si solidifica.
Le prime ipotesi sulla crosta di grafite si basavano su previsioni di temperature e pressioni più basse nella CMB. Ma studi più recenti propongono che la CMB sia più profonda di quanto si pensasse, portando i ricercatori a rivalutare la crosta di grafite.
Inoltre, un altro studio ha suggerito la presenza di zolfo nel nucleo di ferro di Mercurio. La presenza di zolfo potrebbe avere un effetto sulla cristallizzazione dell'oceano magmatico di Mercurio, il che mette in discussione l'affermazione originaria secondo cui in quella fase era presente solo grafite.
Modellare le condizioni dell'interno di Mercurio
Per ricreare le condizioni dell'interno di Mercurio, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di esperimenti ad alta pressione e alta temperatura e modelli termodinamici.
"Abbiamo usato la pressa a grande volume per imitare le condizioni di alta temperatura e alta pressione del confine nucleo-mantello di Mercurio e le abbiamo combinate con modelli geofisici e calcoli termodinamici", ha spiegato il dottor Lin.
I ricercatori hanno utilizzato un silicato sintetico come materiale di partenza per imitare la composizione del mantello di Mercurio. Si tratta di un metodo comunemente utilizzato per studiare l'interno dei pianeti.
I ricercatori hanno raggiunto livelli di pressione fino a 7 Giga Pascal (GPa), circa sette volte la pressione che si trova nelle parti più profonde della Fossa delle Marianne.
In queste condizioni, il team ha studiato come i minerali (quelli che si trovano all'interno di Mercurio) si fondono e raggiungono le fasi di equilibrio e le hanno caratterizzate, concentrandosi su quelle della grafite e del diamante.
"I modelli geofisici provengono principalmente dai dati raccolti dalle navicelle spaziali e ci dicono quali sono le strutture fondamentali dell'interno di un pianeta", ha spiegato la dott.ssa Lin.
Gli strati di diamante si formano ad alte pressioni
Integrando i dati sperimentali con simulazioni geofisiche, i ricercatori sono riusciti a stimare la pressione della CMB di Mercurio a circa 5.575 GPa.
Con un contenuto di zolfo di circa l'11%, i ricercatori hanno osservato una notevole variazione di temperatura di 358 Kelvin nell'oceano magmatico di Mercurio. I ricercatori propongono che, sebbene la grafite fosse probabilmente la fase di carbonio dominante durante la cristallizzazione dell'oceano magmatico, la cristallizzazione del nucleo abbia portato alla formazione di uno strato di diamante nella CMB.
"Lo zolfo riduce il liquido nell'oceano magmatico di Mercurio. Se il diamante si forma nell'oceano magmatico, può scendere sul fondo e depositarsi nella CMB. D'altra parte, lo zolfo favorisce anche la formazione di uno strato di solfuro di ferro nella CMB, che è legato al contenuto di carbonio durante la differenziazione planetaria", ha spiegato la dott.ssa Lin.
La differenziazione planetaria si riferisce al processo di strutturazione interna di un pianeta: il centro o nucleo, in cui affondano i minerali più pesanti, e la superficie o crosta, in cui salgono i minerali più leggeri.
Secondo le loro scoperte, lo strato di diamante nella CMB ha uno spessore stimato tra i 15 e i 18 chilometri. I ricercatori suggeriscono inoltre che la temperatura attuale della CMB di Mercurio è vicina al punto in cui la grafite può trasformarsi in diamante, stabilizzando così la temperatura della CMB.
Sistemi esoplanetari ricchi di carbonio
Una delle implicazioni di queste scoperte riguarda il campo magnetico di Mercurio, che è anomalamente forte per le sue dimensioni.
Il dottor Lin ha spiegato: "Il carbonio nel nucleo fuso si sovrasatura quando si raffredda, formando diamanti e fluttuando verso la CMB. L'elevata conducibilità termica del diamante aiuta a trasferire efficacemente il calore dal nucleo al mantello, causando stratificazioni di temperatura e cambiamenti di convezione nel nucleo esterno liquido di Mercurio, che influenzano la generazione del suo campo magnetico.
La dott.ssa Lin ha anche sottolineato il ruolo cruciale che il carbonio svolge nella formazione dei sistemi esoplanetari ricchi di carbonio.
"Potrebbe anche essere rilevante per la comprensione di altri pianeti terrestri, specialmente quelli con dimensioni e composizioni simili". I processi che hanno portato alla formazione di uno strato di diamante su Mercurio potrebbero essersi verificati anche su altri pianeti, lasciando potenzialmente tracce simili", ha concluso Lin.
Fonte
Yongjiang Xu et al, A diamond-bearing core-mantle bound on Mercury, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49305-x .