Le visualizzazioni 3D rivelano che il solfuro fuso potrebbe percolare attraverso la roccia solida per formare un nucleo planetario
Il rover Perseverance della NASA stava viaggiando nel canale di un antico fiume, la Neretva Vallis, quando ha catturato questa vista di un'area di interesse scientifico soprannominata “Bright Angel” - l'area chiara in lontananza a destra. L'area è caratterizzata da affioramenti rocciosi di colore chiaro che potrebbero rappresentare sedimenti antichi che hanno poi riempito il canale o forse rocce molto più antiche che sono state successivamente esposte dall'erosione del fiume.
Un nuovo studio della NASA rivela un modo sorprendente in cui potrebbero essersi formati i nuclei planetari, che potrebbe rimodellare il modo in cui gli scienziati comprendono la prima evoluzione dei pianeti rocciosi come Marte.
Condotto da un team di scienziati alle prime armi e ricercatori di lunga data della Divisione Astromaterials Research and Exploration Science (ARES) del Johnson Space Center della NASA a Houston, lo studio offre la prima prova sperimentale e geochimica diretta che il solfuro fuso, piuttosto che il metallo, potrebbe percolare attraverso la roccia solida e formare un nucleo, anche prima che il mantello di silicato di un pianeta inizi a fondersi.
Il lavoro è pubblicato su Nature Communications.
Per decenni gli scienziati hanno creduto che la formazione di un nucleo richiedesse una fusione su larga scala del corpo planetario, seguita da una discesa di elementi metallici pesanti verso il centro. Questo studio introduce un nuovo scenario, particolarmente rilevante per i pianeti che si formano lontano dal Sole, dove lo zolfo e l'ossigeno sono più abbondanti del ferro.
In questi ambienti ricchi di volatili, lo zolfo si comporta come il sale stradale su una strada ghiacciata: abbassa il punto di fusione reagendo con il ferro metallico per formare il solfuro di ferro, che può migrare e combinarsi in un nucleo. Finora gli scienziati non sapevano se il solfuro potesse attraversare la roccia solida in condizioni realistiche di formazione di un pianeta.
I risultati dello studio hanno permesso ai ricercatori di osservare direttamente questo processo utilizzando immagini 3D ad alta risoluzione, confermando i modelli di lunga data su come la formazione del nucleo possa avvenire attraverso la percolazione, in cui il solfuro liquido denso viaggia attraverso microscopiche fessure nella roccia solida.
“Abbiamo potuto vedere in un rendering 3D completo come i solfuri fusi si muovessero attraverso il campione sperimentale, percolando nelle fessure tra altri minerali”, ha dichiarato il dottor Sam Crossley dell'Università dell'Arizona a Tucson, che ha guidato il progetto mentre era borsista post-dottorato presso la divisione ARES della NASA Johnson.
“Ha confermato la nostra ipotesi: in un ambiente planetario, queste fusioni dense migrerebbero verso il centro di un corpo e formerebbero un nucleo, anche prima che la roccia circostante inizi a fondere”.
Ricreare in laboratorio le condizioni di formazione planetaria ha richiesto non solo precisione sperimentale, ma anche una stretta collaborazione tra gli scienziati alle prime armi di ARES per sviluppare nuovi modi di osservare e analizzare i risultati. Gli esperimenti ad alta temperatura sono stati condotti dapprima nel laboratorio di petrologia sperimentale, dopodiché i campioni risultanti, o “prodotti della corsa”, sono stati portati nel laboratorio di tomografia computerizzata a raggi X (XCT) della NASA Johnson per la visualizzazione.
Una rete di solfuri fusi (color oro) percolano tra i grani di minerali di silicato in questo ritaglio di un rendering XCT; i silicati non fusi sono in grigio e i solfuri in bianco.
Il dottor Scott Eckley, scienziato esperto di raggi X e coautore dello studio, di Amentum presso la NASA Johnson, ha utilizzato la XCT per produrre rendering 3D ad alta risoluzione, rivelando le sacche di fusione e i percorsi di flusso all'interno dei campioni con dettagli microscopici. Queste visualizzazioni hanno permesso di capire il comportamento fisico dei materiali durante la formazione del nucleo iniziale senza distruggere il campione.
Le visualizzazioni 3D XCT hanno inizialmente confermato che le fusioni di solfuro potevano percolare attraverso le rocce solide in condizioni sperimentali, ma questo da solo non poteva confermare se la formazione percolosa del nucleo si è verificata oltre 4,5 miliardi di anni fa. Per questo i ricercatori si sono rivolti ai meteoriti.
“Abbiamo fatto un passo avanti e abbiamo cercato prove chimiche forensi della percolazione dei solfuri nelle meteoriti”, ha detto Crossley. “Fondendo parzialmente dei solfuri sintetici infusi con tracce di metalli del gruppo del platino, siamo stati in grado di riprodurre gli stessi insoliti schemi chimici riscontrati nei meteoriti ricchi di ossigeno, fornendo una forte prova che la percolazione dei solfuri si è verificata in quelle condizioni nel primo sistema solare”.
In A i silicati (grigi) sono semitrasparenti su sfondo nero e gli assemblaggi di solfuri-ossidi non connessi e le reti di fusione separate sono bianchi. La più grande rete fusa interconnessa (gialla) copre l'intero sub-volume con un diametro massimo di almeno 690 micrometri. Una vista più ravvicinata di un ritaglio in situ della stessa rete di fusione (riquadro tratteggiato, B) mostra che vene di fusione di dimensioni submicrometriche (freccia blu) sono percolate tra i grani di silicato per collegare i complessi di solfuro-ossidi vicini.
Per comprendere la distribuzione degli oligoelementi, il coautore dello studio, il dottor Jake Setera, anch'egli di Amentum, ha sviluppato una nuova tecnica di ablazione laser per misurare con precisione i metalli del gruppo del platino, che si concentrano nei solfuri e nei metalli.
“Lavorare a questo progetto ci ha spinto a essere creativi”, ha detto Setera. “Per confermare ciò che le visualizzazioni 3D ci mostravano, dovevamo sviluppare un metodo di ablazione laser appropriato che potesse tracciare gli elementi del gruppo del platino in questi complessi campioni sperimentali. È stato emozionante vedere entrambi i flussi di dati convergere verso la stessa storia”.
Quando sono stati abbinati all'analisi geochimica di Setera, i dati hanno fornito potenti linee di prova indipendenti che il solfuro fuso è migrato e si è formato all'interno di un interno planetario solido. Questa duplice conferma ha segnato la prima dimostrazione diretta del processo in un ambiente di laboratorio.
Lo studio offre una nuova lente per interpretare la geochimica planetaria. Marte, in particolare, mostra segni di formazione precoce del nucleo, ma la tempistica ha lasciato perplessi gli scienziati per anni. I nuovi risultati suggeriscono che il nucleo di Marte potrebbe essersi formato in una fase precedente, grazie alla sua composizione ricca di zolfo, potenzialmente senza richiedere la fusione su larga scala che ha interessato la Terra. Ciò potrebbe contribuire a spiegare gli enigmi che da tempo affliggono la cronologia geochimica di Marte e la sua prima differenziazione.
I risultati sollevano anche nuovi interrogativi sul modo in cui gli scienziati datano gli eventi di formazione del nucleo utilizzando isotopi radiogeni, come l'afnio e il tungsteno. Se lo zolfo e l'ossigeno sono più abbondanti durante la formazione di un pianeta, alcuni elementi potrebbero comportarsi in modo diverso dal previsto, rimanendo nel mantello anziché nel nucleo e influenzando gli “orologi” geochimici utilizzati per stimare le tempistiche planetarie.
Questa ricerca fa progredire la nostra comprensione di come gli interni planetari possano formarsi in condizioni chimiche diverse, offrendo nuove possibilità di interpretazione dell'evoluzione di corpi rocciosi come Marte. Combinando la petrologia sperimentale, l'analisi geochimica e l'imaging 3D, il team ha dimostrato come approcci collaborativi e multimetodo possano scoprire processi un tempo solo teorici.
Mentre la NASA si prepara alle future missioni sulla Luna, su Marte e oltre, capire come si formano gli interni planetari è più importante che mai. Studi come questo aiutano gli scienziati a interpretare i dati remoti delle navicelle spaziali, ad analizzare i campioni restituiti e a costruire modelli migliori di come si è formato il nostro sistema solare.