Secondo i modelli, il cuore della Terra è costituito da un nucleo interno solido di ferro e nichel e da un nucleo esterno rotante di ferro e nichel fluidi. Di fatto, però, gli scienziati non lo hanno mai potuto raggiungerlo per osservare sul campo il comportamento dei materiali a pressioni schiaccianti e temperature infernali. Il nuovo lavoro permetterà di comprendere meglio il nostro pianeta ma a capire meglio cosa succede quando pezzi di ferro si scontrano nello spazio.

"Non abbiamo creato le condizioni del nucleo interno", ha specificato la fisica Arianna Gleason del National Accelerator Laboratory dello SLAC del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Ma abbiamo raggiunto le condizioni del nucleo esterno del pianeta, il che è davvero notevole".

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.

 

Come il ferro affronta lo stress

In condizioni normali, la struttura cristallina del ferro è un reticolo cubico. Gli atomi sono disposti in una griglia, con gli atomi all'angolo di ogni cubo e uno al centro. Quando il ferro viene compresso a pressioni estremamente elevate, questo reticolo cambia forma, deformandosi in una struttura esagonale. Ciò consente di impacchettare più atomi nello stesso volume di spazio. Ma è difficile sapere cosa succede a pressioni e temperature ancora più elevate, come quelle nel nucleo terrestre.

Negli ultimi anni, tuttavia, la tecnologia laser è progredita al punto che, in ambienti di laboratorio, piccoli campioni possono essere sottoposti a condizioni estreme, come le pressioni e le temperature riscontrate nelle nane bianche.

Il nucleo esterno della Terra ha pressioni che variano tra 135 e 330 Gigapascal e temperature tra da 3.727 a 4.727 gradi Celsius.
Il team SLAC ha utilizzato due laser, sottoponendo il campione a uno shock di intenso calore (3797 gradi Celsius) e pressione (187 Gigapascal). Contestualmente, è stata misurata la struttura atomica del ferro durante il processo.

Le immagini risultanti, raccolte in una sequenza, hanno rivelato che il ferro risponde allo stress aggiuntivo indotto da entrambe queste condizioni. La disposizione atomica viene spinta in modo che le forme esagonali ruotino di quasi 90 gradi. Questo meccanismo, hanno detto i ricercatori, consente al metallo di resistere alle estremità. Ciò consente "al ferro di essere incredibilmente forte, più forte di quanto pensassimo inizialmente, prima che inizi a fluire plasticamente su scale temporali molto più lunghe", ha affermato Gleason.

"Siamo stati in grado di effettuare una misurazione in un miliardesimo di secondo", ha detto Gleason. "Congelare gli atomi dove si trovano in quel nanosecondo è davvero emozionante".

Cosa cambia con questa scoperta

Ora che sappiamo come si comporta il ferro in tali condizioni, queste informazioni possono essere incorporate in modelli e simulazioni. Ciò ha importanti implicazioni per il modo in cui comprendiamo le collisioni spaziali, ad esempio. Il nucleo della Terra è nascosto all'interno del pianeta, ma ci sono asteroidi altamente metallici che potrebbero essere i nuclei esposti e nudi di pianeti la cui formazione è stata interrotta. Questi oggetti possono urtare con altri, i quali possono deformare la struttura del ferro al loro interno. Ora abbiamo un'idea migliore di come ciò avvenga. E, naturalmente, ora sappiamo qualcosa in più sul nostro pianeta.

"Ora possiamo mettere un pollice in su o in giù su alcuni dei modelli fisici per meccanismi di deformazione davvero fondamentali", ha detto Gleason. "Ciò aiuta a sviluppare alcune delle capacità predittive che ci mancano per modellare il modo in cui i materiali rispondono a condizioni estreme".