Una pioggia di diamanti dal cuore di Nettuno al piccolo laboratorio

SCOPERTE – Prendere del polistirene, un composto plastico a base di idrogeno e carbonio e mettetelo sotto pressione, usando un potente strumento che crea violente onde d’urto e un potente laser ottico a raggi X. In questo modo sarete in grado di osservare la formazione di nanodiamanti, una reazione chimica che avviene anche all’interno dei grandi pianeti ghiacciati, per esempio Urano e Nettuno nel nostro Sistema Solare, e che provoca delle piogge scintillanti fino a creare un sottile strato di diamanti intorno al nucleo.

A ricreare in laboratorio la formazione dei diamanti e a fotografarla – anche se il processo dura appena una manciata di femtosecondi, cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo – sono stati i ricercatori guidati da Dominik Kraus, della Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, nello SLAC National Accelerator Laboratory. Il risultato ottenuto dagli scienziati è stato pubblicato sulla rivista Nature Astronomy e rappresenta un grande traguardo non solo per l’astronomia, dato che ci racconta qualcosa in più sugli esopianeti e su come comprenderne la composizione, ma svela anche qualcosa sui nanodiamanti, che una volta prodotti possono essere impiegati in diversi campi scientifici, dalla medicina all’elettronica.

Non si tratta della prima volta che un esperimento cerca di riprodurre ciò che accade a 8000 chilometri di profondità in un pianeta ghiacciato, dove per ghiaccio si intende atomi di idrogeno legati ad elementi più leggeri, come per esempio carbonio, ossigeno e azoto. I pianeti ghiacciati presentano un nucleo solido circondato da una fanghiglia di differenti tipi di ghiaccio, e proprio all’interno di questi strati è possibile osservare la scintillante pioggia di diamanti che affondano verso il cuore del pianeta.

Se i diamanti prodotti sui pianeti sono abbastanza grandi da raggiungere anche milione di carati in peso, il laboratorio presenta dei limiti sia di dimensioni che di tempi. Sui pianeti ghiacciati infatti abbonda il metano, una molecola formata da un carbonio legato a quattro atomi di idrogeno, e che dona a Nettuno il tipico colore blu. Negli strati intermedi dei pianeti il metano forma dunque catene di idrocarburi che una volta sottoposte ad altissime pressioni e temperature formano le piogge scintillanti.

In laboratorio i ricercatori hanno utilizzato il polistirene, un materiale di plastica formato da idrogeno e carbonio, e lo hanno sottoposto a coppie di onde d’urto generate con lo strumento Matter in Extreme Conditions, MEC, al SLAC National Accelerator Laboratory. La prima onda è più piccola e lenta, mentre la seconda è più potente, e quando le due si sovrappongono ricreano le condizione estreme e un picco di pressione che induce la trasformazione della plastica in nanodiamanti.

A questo punto interviene un altro fondamentale strumento, il laser Linac Coherent Light Source (LCLS), che con i suoi impulsi a raggi X è riuscito ad osservare e misurare l’intera reazione chimica che è durata appena 50 femtosecondi. “Per questo esperimento abbiamo usato LCLS, la più luminosa sorgente a raggi X al mondo”, ha spiegato Siegfried Glenze, professore dello SLAC e co-autore dello studio. “Si ha bisogno di questi intenso e veloce generatore di impulsi di raggi X per vedere inequivocabilmente le strutture di questi diamanti, perché si formano solo in laboratorio in un brevissimo lasso di tempo”.

La ricerca rappresenta quindi un risultato eccezionale nel campo della scienza planetaria, dove permetterà di ottenere passi in avanti nello studio degli esopianeti. Attualmente infatti gli astronomi sono in grado di misurare la massa e il raggio dei pianeti al di fuori del Sistema Solare, e basandosi sulla relazione tra questi due parametri possono ipotizzarne la composizione e valutare se sono prevalenti gli elementi pesanti o più leggeri della tavola periodica. “Con i pianeti, la relazione tra massa e raggio può giù dire qualcosa in più sulla loro chimica”, ha spiegato Kraus. “E le reazioni chimiche che avvengono nel loro interno possono dare informazioni aggiuntive circa alcune caratteristiche del pianeta”.

Comprendere e svelare le reazioni chimiche che avvengono all’interno dei pianeti giganti ghiacciati dunque potrà aiutare ad affinare i criteri di classificazione dei singoli pianeti, dato che non possiamo guardare al loro interno. In questo modo si ottengono informazioni molto importanti che sono di completamento alle osservazioni dei satelliti e dei telescopi.

Il risultato ottenuto però è solo un primo passo: gli scienziati ora stanno progettando nuovi esperimenti in laboratorio che ricreino le reazioni che avvengono all’interno non solo dei pianeti, ma anche delle stelle. Il metodo utilizzato infatti può essere applicato anche allo studio della fusione nucleare, il processo chimico che a partire da idrogeno ed elio attiva il motore delle stelle come il nostro Sole, una reazione che ancora non riusciamo a controllare a fondo e che rappresenta una fonte di energia elettrica pulita di grande importanza per la Terra.

Non solo l’astronomia però trae giovamento da questi esperimenti in laboratorio. I nanodiamanti che vengono prodotti, per esempio, possono essere riutilizzati per scopi commerciali. Se attualmente infatti vengono impiegati nella produzione di esplosivi, in futuro potrebbero essere usati in medicina o in elettronica, per la costruzione di strumenti medici sempre più efficienti o di laser con un migliore controllo e una maggiore potenza.

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