Carbon-driven iron transition points to a solid lunar inner core
Questo studio risolve la controversia sull'esistenza del nucleo interno lunare dimostrando che una lega ferro-carbonio con una specifica fase ad alta pressione (fcc-II) corrisponde alle velocità sismiche osservate, confermando così un nucleo interno solido composto da Fe-C con temperature probabilmente inferiori a 1500 K.
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Profondamente sotto la superficie della Luna, nascosto alla vista e intatto dalle mani umane, giace un mistero che ha tormentato gli scienziati per decenni. Sebbene sappiamo che la Luna ha un nucleo composto principalmente di ferro, proprio come la Terra, la questione se quel nucleo sia interamente liquido o contenga una sfera interna solida è rimasta oggetto di un intenso dibattito. Per anni, i dati delle missioni Apollo, che posizionarono sismometri sulla superficie lunare, hanno suggerito che potrebbe esistere un nucleo interno solido. Tuttavia, quando gli scienziati hanno cercato di far corrispondere quei segnali sismici a ciò che sapevano sul ferro sotto pressioni estreme, i numeri non tornavano. Le onde sismiche che viaggiavano attraverso il sospetto nucleo interno si muovevano molto più lentamente di quanto il ferro puro avrebbe dovuto permettere, portando molti a dubitare dell'esistenza stessa di un centro solido. Questa discrepanza ha lasciato un vuoto nella nostra comprensione della storia della Luna, del suo passato magnetico e di come si raffredda nel tempo. Per risolvere questo problema, i ricercatori avevano bisogno di trovare un modo per far comportare il ferro in un modo che corrispondesse alle velocità lente registrate dagli strumenti Apollo.
Un team di scienziati ha ora proposto una soluzione che cambia la ricetta del nucleo lunare. Ricreando in laboratorio le condizioni di alta pressione e alta temperatura presenti nelle profondità della Luna, hanno scoperto che il ferro mescolato con una piccola quantità di carbonio subisce una sorprendente trasformazione. Quando il ferro puro viene compresso alle pressioni presenti nel nucleo della Luna, ci si aspetta che sia un metallo solido che trasmette le onde sismiche rapidamente. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che quando il ferro è legato con una minuscola frazione di carbonio, subisce un cambiamento strutturale che causa un drastico rallentamento delle onde sismiche. Questo cambiamento avviene senza che il ferro cambi la sua forma cristallina di base, ma la disposizione interna degli atomi si sposta quanto basta per ridurre la velocità del suono che lo attraversa. Questo specifico comportamento, che i ricercatori chiamano transizione di fase isostrutturale, avviene a pressioni comprese tra 4 e 5 gigapascal, un intervallo che corrisponde perfettamente alla profondità del nucleo interno della Luna.
Gli esperimenti hanno comportato la sintesi di campioni di ferro con contenuti di carbonio compresi tra lo 0,2 e l'1,7 percento, sottoponendoli a pressioni fino a 7 gigapascal e temperature fino a 1300 Kelvin. Utilizzando la diffrazione a raggi X avanzata e misurazioni della velocità acustica, il team ha osservato che, all'aumentare della pressione, la velocità delle onde compressionali è scesa di circa 1 chilometro al secondo. Questo calo ha portato la velocità del suono nella lega ferro-carbonio a circa 4 o 4,5 chilometri al secondo, una cifra che si allinea quasi perfettamente con i dati sismici raccolti durante l'era Apollo. I ricercatori hanno anche scoperto che questa transizione è reversibile e avviene sia nella forma cubica a corpo centrato che in quella cubica a facce centrate, suggerendo che sia una caratteristica robusta delle miscele ferro-carbonio in queste condizioni. Fondamentalmente, lo studio ha escluso l'idea che le velocità lente fossero causate dalla presenza di zolfo o nichel, elementi che precedentemente si pensava fossero i principali elementi leggeri del nucleo lunare, poiché i loro effetti non corrispondevano ai dati sismici osservati.
Questa scoperta suggerisce che il nucleo interno della Luna non è fatto di ferro puro, ma piuttosto di una lega di ferro e carbonio. La presenza di carbonio spiega perché le onde sismiche si muovano così lentamente, risolvendo un conflitto sessantennale tra la fisica dei minerali e la sismologia. I risultati consentono inoltre agli scienziati di stimare con maggiore precisiono la temperatura del nucleo lunare. Poiché la velocità del suono in questa miscela di ferro e carbonio è sensibile al calore, i dati indicano che la temperatura del nucleo interno è probabilmente inferiore a 1500 Kelvin. Se il nucleo fosse significativamente più caldo, le velocità sismiche sarebbero ancora più basse di quelle osservate. Questo vincolo di temperatura aiuta a perfezionare i modelli di come la Luna si sia raffreddata ed evoluta dalla sua formazione. Inoltre, lo studio sostiene l'idea che il carbonio sia abbastanza abbondante nel nucleo lunare da guidare questa transizione, una conclusione supportata dai calcoli sulla distribuzione del carbonio tra il nucleo interno solido e il nucleo esterno liquido della Luna.
Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre la semplice struttura della Luna. Confermando l'esistenza di un nucleo interno solido composto da una lega di ferro e carbonio, lo studio fornisce una nuova base per comprendere la storia termica della Luna e il suo antico campo magnetico. La presenza di un nucleo interno solido è un motore chiave per l'effetto dinamo che genera i campi magnetici, e conoscere la sua composizione aiuta a spiegare perché il campo magnetico della Luna sia svanito nel tempo. I ricercatori sottolineano che i loro risultati si basano su misurazioni dirette delle velocità acustiche e su schemi di diffrazione a raggi X, offrendo una spiegazione fisica concreta per le anomalie sismiche che hanno confuso a lungo la comunità scientifica. Sebbene la distribuzione esatta del carbonio nell'interno lunare rimanga oggetto di ulteriori studi, le prove presentate qui puntano fortemente verso un nucleo interno solido ricco di carbonio come il tassello mancante del puzzle lunare. Questa scoperta non si limita a colmare una lacuna in un modello; riscrive la descrizione fisica del cuore della Luna, trasformando una possibilità teorica in una realtà misurata.
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