Introduzione
Il pianeta rosso, Marte, continua a stupire gli scienziati con le sue caratteristiche uniche. Recentemente, i ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno scoperto che il nucleo di ferro liquido di Marte è più piccolo e denso di quanto si pensasse in precedenza. Inoltre, è circondato da uno strato di roccia fusa. Queste conclusioni sono state raggiunte grazie all’analisi dei dati sismici raccolti dal lander InSight.
Scoperte dal lander InSight della NASA
Analisi dei marsquakes
Un anno dopo la conclusione della missione InSight della NASA, l’analisi dei marsquakes registrati, combinata con simulazioni al computer, continua a fornire nuove scoperte. L’analisi dei marsquakes inizialmente osservati ha mostrato che la densità media del nucleo marziano doveva essere significativamente inferiore a quella del ferro liquido puro. Le nuove osservazioni indicano che il raggio del nucleo marziano è diminuito dall’intervallo inizialmente determinato di 1.800-1.850 chilometri a un intervallo di 1.650-1.700 chilometri.
Struttura interna di Marte
Per quattro anni, il lander InSight della NASA ha registrato i tremori su Marte con il suo sismometro. I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno raccolto e analizzato i dati trasmessi sulla Terra per determinare la struttura interna del pianeta. “Nonostante la missione sia terminata nel dicembre 2022, abbiamo ora scoperto qualcosa di molto interessante”, afferma Amir Khan, Senior Scientist nel Dipartimento di Scienze della Terra dell’ETH di Zurigo.
Il nucleo di Marte e il suo strato di silicato unico
Composizione del nucleo di Marte
Un’analisi dei marsquakes inizialmente osservati aveva mostrato che la densità media del nucleo marziano doveva essere significativamente inferiore a quella del ferro liquido puro. Il nucleo della Terra, ad esempio, è composto per circa il 90% in peso di ferro. Elementi leggeri come zolfo, carbonio, ossigeno e idrogeno costituiscono un totale combinato di circa il 10% in peso. Le stime iniziali della densità del nucleo marziano mostravano che è composto da una quota molto più grande di elementi leggeri – circa il 20% in peso. “Questa rappresenta una quota molto grande di elementi leggeri, al limite dell’impossibile. Ci siamo chiesti a lungo su questo risultato”, afferma Dongyang Huang, ricercatore post-dottorato nel Dipartimento di Scienze della Terra dell’ETH di Zurigo.
Ridefinizione del nucleo marziano
Le nuove osservazioni mostrano che il raggio del nucleo marziano è diminuito dall’intervallo inizialmente determinato di 1.800-1.850 chilometri a un intervallo di 1.650-1.700 chilometri, che è circa il 50% del raggio di Marte. Se il nucleo marziano è più piccolo di quanto precedentemente pensato ma ha la stessa massa, ne consegue che la sua densità è maggiore e che quindi contiene meno elementi leggeri. Secondo i nuovi calcoli, la proporzione di elementi leggeri è scesa tra il 9 e il 14% in peso.
Utilizzo dei marsquakes distanti e simulazioni al supercomputer
Marsquakes distanti
I calcoli iniziali si basavano su tremori che si erano verificati in prossimità del lander InSight. Tuttavia, nel agosto e settembre 2021, il sismometro ha registrato due terremoti sul lato opposto di Marte. Uno di essi è stato causato da un impatto di meteorite. “Questi terremoti hanno prodotto onde sismiche che hanno attraversato il nucleo”, spiega Cecilia Duran, dottoranda nel Dipartimento di Scienze della Terra dell’ETH di Zurigo. “Questo ci ha permesso di illuminare il nucleo”.
Simulazioni al supercomputer
Per dedurre la composizione del materiale da tali profili, i ricercatori di solito confrontano i dati con quelli di leghe di ferro sintetiche contenenti diverse proporzioni di elementi leggeri (S, C, O e H). In laboratorio, queste leghe sono esposte a temperature e pressioni elevate equivalenti a quelle presenti all’interno di Marte, permettendo di misurare direttamente la densità e la velocità delle onde sismiche. Tuttavia, al momento, la maggior parte degli esperimenti viene condotta in condizioni prevalenti nell’interno della Terra e, pertanto, non sono immediatamente applicabili a Marte. Di conseguenza, i ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno ricorso a un metodo diverso. Hanno calcolato le proprietà di una vasta varietà di leghe utilizzando calcoli quantistico-meccanici, che hanno eseguito presso il Centro Svizzero di Supercomputing (CSCS) a Lugano, in Svizzera.
Quando i ricercatori hanno confrontato i profili calcolati con le loro misurazioni basate sui dati sismici di InSight, hanno riscontrato un problema. Si è scoperto che nessuna lega di ferro-elemento leggero corrispondeva contemporaneamente ai dati sia in cima che al centro del nucleo marziano. Al confine nucleo-manto, ad esempio, la lega di ferro avrebbe dovuto contenere molto più carbonio rispetto all’interno del nucleo. “Ci è voluto un po’ per capire che la regione che avevamo precedentemente considerato come il nucleo di ferro liquido esterno non era affatto il nucleo, ma la parte più profonda del mantello”, spiega Huang. A sostegno di ciò, i ricercatori hanno anche scoperto che la densità e la velocità delle onde sismiche misurate e calcolate nei 150 chilometri più esterni del nucleo erano coerenti con quelle dei silicati liquidi - lo stesso materiale, in forma solida, di cui è composto il mantello marziano.
Ulteriori analisi dei marsquakes precedenti e ulteriori simulazioni al computer hanno confermato questo risultato. È solo un peccato che i pannelli solari polverosi e la conseguente mancanza di energia abbiano reso impossibile per il lander InSight fornire ulteriori dati che avrebbero potuto gettare più luce sulla composizione e la struttura dell’interno di Marte. “Tuttavia, InSight è stata una missione molto riuscita che ci ha fornito molti nuovi dati e intuizioni che saranno analizzati per gli anni a venire”, afferma Khan.