Risolto il mistero del nucleo di Marte

Per quattro anni, la sonda InSight della NASA ha registrato le scosse su Marte con il suo sismometro. I ricercatori dell'ETH hanno registrato e analizzato i dati trasmessi alla Terra per determinare la struttura interna del pianeta. "Anche se la missione è terminata nel dicembre 2022, abbiamo scoperto qualcosa di molto interessante", afferma Amir Khan, libero docente del Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo.

Le analisi delle scosse registrate su Marte, combinate con simulazioni al computer, rivelano un nuovo quadro dell'interno del pianeta. Tra il nucleo marziano di una lega di ferro liquida e il mantello di roccia solida di silicato c'è uno strato di silicati liquidi spesso circa 150 chilometri. "Non vediamo uno strato di silicati così completamente fuso sulla Terra", dice Khan.

Questa scoperta, pubblicata sulla rivista scientifica Nature, fornisce anche nuovi valori per le dimensioni e la composizione del nucleo marziano, risolvendo così un enigma che i ricercatori non riuscivano a spiegare. Uno studio guidato da Henri Samuel dell'Institut de Physique de Globe de Paris, pubblicato nello stesso periodo, giunge a conclusioni simili.

Le analisi dei primi terremoti osservati su Marte hanno dimostrato che la densità media del nucleo marziano deve essere significativamente inferiore a quella del ferro puro e liquido. Il nucleo terrestre è costituito da circa il 90% di ferro in peso. Gli elementi leggeri come zolfo, carbonio, ossigeno e idrogeno costituiscono circa il 10% del peso. Secondo le prime analisi, gli elementi leggeri rappresentavano il 20% in peso nel nucleo marziano. "All'epoca fummo sorpresi da questo strano risultato", afferma Dongyang Huang, ricercatore post-dottorando presso il Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo.

Elementi meno luminosi

In base ai nuovi calcoli, il raggio del nucleo marziano è ora di 1650-1700 chilometri invece di 1800-1850 chilometri, ovvero circa il 50% del raggio di Marte. Se il nucleo marziano è più piccolo di quanto ipotizzato in precedenza, ma ha lo stesso peso, ciò significa quanto segue: La sua densità è maggiore e contiene meno elementi leggeri. Secondo i nuovi calcoli, la percentuale di elementi leggeri scende al 9-14% in peso. "Questo significa che la densità media del nucleo marziano è ancora piuttosto bassa, ma non è più inspiegabile", afferma Paolo Sossi, professore assistente presso il Dipartimento di Scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo e membro del NCCR Planet S. Questo perché si presume che Marte si sia formato molto presto, quando il sole era ancora circondato da una nebulosa di gas con elementi leggeri che potevano accumularsi nel nucleo.

I calcoli iniziali si basavano su scosse avvenute abbastanza vicino alla sonda InSight. Tuttavia, nei mesi di agosto e settembre 2021, il sismometro ha registrato due scosse avvenute dall'altra parte di Marte. Una di queste è stata causata dall'impatto di un meteorite. "Queste scosse hanno prodotto onde sismiche che hanno attraversato il nucleo", spiega Cecilia Duran, dottoranda del Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH di Zurigo. "Con i terremoti precedenti, invece, le onde venivano riflesse al confine del nucleo e non fornivano informazioni sulla zona interna del pianeta rosso. Ora i ricercatori sono riusciti a creare profili della densità e della velocità delle onde di terremoto nel nucleo, che si estendono fino a una profondità di circa 1000 chilometri nel nucleo.

Simulazioni con supercomputer

Per trarre conclusioni sulla composizione del materiale da questi profili, i ricercatori normalmente confrontano i valori con quelli di leghe di ferro prodotte artificialmente che contengono diverse proporzioni di altri elementi. In laboratorio, queste leghe vengono esposte alle alte temperature e pressioni che prevalgono all'interno del pianeta e vengono misurate la densità e la velocità delle onde sismiche corrispondenti. Tuttavia, la maggior parte di questi esperimenti si riferisce all'interno della Terra e difficilmente può essere applicata a Marte. I ricercatori dell'ETH hanno quindi utilizzato un metodo diverso. Hanno determinato le proprietà di varie leghe utilizzando calcoli di meccanica quantistica, eseguiti presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) di Lugano.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno confrontato i profili calcolati con quelli misurati, hanno incontrato un problema: non c'era materiale che corrispondesse ai valori al centro e al bordo esterno del nucleo allo stesso tempo. Al confine del nucleo, ad esempio, la lega di ferro corretta avrebbe dovuto contenere molto più carbonio rispetto al centro del nucleo. "Questo ci ha fatto pensare che l'area che in precedenza avevamo considerato il nucleo esterno di ferro liquido non fosse affatto il nucleo, ma la zona più profonda del rivestimento", spiega Huang. Infatti, i profili misurati e calcolati nei 150 chilometri più esterni corrispondono a quelli di uno strato liquido di materiale silicato, che costituisce anche il mantello marziano.

Ulteriori analisi di precedenti Marsquakes e ulteriori simulazioni al computer hanno confermato questo risultato. I ricercatori si rammaricano che la sonda InSight non sia stata in grado di fornire ulteriori dati a causa dei pannelli solari polverosi, che avrebbero potuto fare ancora più luce sulla composizione più precisa del materiale all'interno di Marte. "Ma InSight è stata una missione di grande successo, dalla quale abbiamo ottenuto molto e imparato molte cose nuove", riassume Khan.