La materia di cui sono composti stelle e pianeti lontani si presenta in condizioni di pressione e temperature estreme. Tra gli elementi che compongono questa materia si osservano anche i membri di una famiglia particolare: quella dei cosiddetti gas nobili. Fanno parte di questo gruppo l’elio e il neon, due nomi piuttosto familiari. Uno studio recente di un gruppo di scienziati guidato da Alexander Goncharov della Carnegie Institution for Science ha sfruttato tecniche di laboratorio per simulare le condizioni che si verificano all’interno di stelle e pianeti, e osservare come si comportano i gas nobili in queste condizioni. Grazie a questo studio potremo comprendere meglio la chimica atmosferica e interna di questi oggetti celesti. L’articolo verrà pubblicato questa settimana sui Proceedings of the National Academy of Sciences.
Il team ha utilizzato una cella a incudini di diamante, un dispositivo che permette di generare pressioni altissime e di studiare il comportamento di un materiale sottoposto a tali condizioni, spesso indicato con la sigla DAC: Diamond Anvil Cell, per portare i gas nobili elio, neon, argon e xeno a pressioni oltre 100.000 volte maggiori di quella dell’atmosfera terrestre (15-52 gigapascal). Inoltre è stato utilizzato un laser per riscaldare i gas a temperature estreme, fino a circa 28.000° C.
I gas sono chiamati “nobili” per via di una specie di freddezza chimica: normalmente questi gas non si combinano con altri elementi. Sono stati studiati con particolare interesse i cambiamenti nella capacità di condurre elettricità al variare di pressione e temperatura, perché queste variazioni possono fornire importanti informazioni circa i modi in cui i gas nobili interagiscono con altri materiali in condizioni estreme, come ad esempio quelle presenti nelle atmosfere planetarie o stellari.
Gli isolanti sono quei materiali che non permettono di condurre al loro interno un flusso di elettroni. I conduttori, o metalli, sono materiali che, al contrario, possono mantenere una corrente elettrica. I gas nobili, quando si trovano a pressione ambiente, non sono buoni conduttori, ma la loro conducibilità può essere indotta creando condizioni di pressione più elevata.
Il team di ricerca, di cui facevano parte Stewart McWilliams (autore principale) e Douglas Allen Dalton della Carnegie, così come Mohammad Mahmood dell’Howard University e Zuzana Konopkova del Deutsches Elektronen-Synchrotron Photon Science ad Amburgo, in Germania, ha scoperto che elio, neon, argon e xeno si trasformano da isolanti visivamente trasparenti a conduttori visivamente opachi al variare delle condizioni di pressione e temperatura verso valori che simulano gli interni di stelle e pianeti.
Questo ha diverse implicazioni interessanti sul comportamento dei gas nobili nelle atmosfere e negli strati più profondi di pianeti e stelle.
Ad esempio, potrebbe aiutare a risolvere il mistero del perché Saturno emetta più calore quanto ci si aspetterebbe. Questo comportamento è legato alla capacità o incapacità dei gas nobili di dissolversi nell’idrogeno liquido, presente in abbondanza all’interno di pianeti giganti come Saturno e Giove.
Dentro a Giove e Saturno l’elio si potrebbe quindi comportare da isolante in prossimità della superficie, trasformandosi in conduttore in prossimità del nucleo del pianeta. Sembra che il passaggio da isolante a conduttore avvienga in condizioni di pressione e temperatura a cui anche l’idrogeno, il costituente principale di questi pianeti, assume un comportamento da conduttore. Si prevede infatti che in entrambi i pianeti l’elio sia dissolto nell’idrogeno e che la capacità dei due gas di miscelarsi sia correlata con questo tipo di trasformazione isolante-conduttore.
Tuttavia, si osserva una differenza nel comportamento del neon portato alle condizioni che simulano i due giganti gassosi. I risultati del team indicano che il neon resterebbe isolante anche in un ambiente simile al nucleo di Saturno. Se così fosse, negli strati profondi del pianeta potrebbe trovarsi uno strato di neon non disciolto, prevenendo l’erosione del nucleo di Saturno. Nel caso di Giove, invece, i materiali del nucleo, come ad esempio il ferro, si dissolverebbero nell’idrogeno liquido circostante.
Questa mancata erosione del nucleo potrebbe spiegare perché Saturno produca così tanto calore interno rispetto al suo vicino Giove. L’erosione del nucleo di un pianeta porta al raffreddamento del pianeta stesso, poiché i materiali più densi vengono trasportati verso l’alto durante la miscelazione, convertendo il calore in energia potenziale gravitazionale. Su Saturno, invece, il materiale più denso potrebbe essere raccolto al centro del pianeta, rendendo possibili temperature più elevate. Il fatto che Saturno emani una grande quantità di calore è un mistero di lunga data. Questi risultati potrebbero fornire la chiave per risolverlo.
Un’altra implicazione di questo studio coinvolge le nane bianche, oggetti compatti e densi, frutto del collasso di una stella grande circa come il nostro Sole quando termina la propria vita. Nonostante la loro alta densità, sono debolmente luminose in quanto emettono luce emanando il loro calore residuo. Si sa che nelle atmosfere delle nane bianche è presente elio, che potrebbe trovarsi negli strati più esterni di alcuni di questi corpi celesti. Le condizioni simulate in laboratorio indicano che questo elio dovrebbe essere più opaco (e conduttore) di quanto previsto in precedenza e tale opacità potrebbe rallentare la velocità di raffreddamento delle nane bianche ricche di elio, oltre ad influenzare il loro colore.