Ma quanti anni ha Saturno?

Potrebbe sembrare una domanda banale perché sappiamo che il nostro Sistema Solare ha 4,5 miliardi di anni ma Saturno è più caldo di quello che dovrebbe essere e questo calore inspiegabile causa una discrepanza di ben due miliardi di anni. Senza alcuna fonte di energia supplementare, infatti, i pianeti tendono a raffreddarsi con l'età, tranne questo, ovviamente. Un bel grattacapo per gli astrofisici!

"I modelli stimano correttamente Giove di 4,5 miliardi di anni ma Saturno sembrerebbe avere solo 2,5 miliardi di anni", spiega Thomas Mattsson del Sandia National Laboratories ad Albuquerque, in Nuovo Messico.

La Z machine (o macchina Z) il più grande generatore di raggi X del mondo, progettato per la sperimentazione sul comportamento dei materiali in condizioni estreme di temperatura e pressione, potrebbe aver risolto il mistero.

Nel 1935, Eugene Wigner e Hilliard Huntington avevano previsto che, sottoponendo un reticolo di molecole d'idrogeno ad enormi pressioni (circa 25 gigaPascal), i singoli atomi di idrogeno si spezzano, rilasciando elettroni liberi fluttuanti in grado di trasportare corrente. Ossia, a tali pressioni, avviene un cambiamento di fase della materia che trasforma l'idrogeno, un elemento elettricamente isolante, in idrogeno metallico.

Una intuizione che, secondo il ricercatore Mike Desjarlais dello Sandia, spiegherebbe la temperatura di Saturno perché quando l'idrogeno vulcanizza e si mescola con l'elio formando un liquido denso, può rilasciare una pioggia di elio che, a sua volta, rappresenta una fonte di energia in grado di alterare l'evoluzione di un pianeta.

"Essenzialmente, la pioggia di elio manterrebbe Saturno più caldo del previsto", ha detto Marcus Knudson, autore, insieme a Desjarlais, dell'articolo pubblicato il 26 giugno sulla rivista Science.

Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium [abstract]Eighty years ago, it was proposed that solid hydrogen would become metallic at sufficiently high density. Despite numerous investigations, this transition has not yet been experimentally observed. More recently, there has been much interest in the analog of this predicted metallic transition in the dense liquid, due to its relevance to planetary science. Here, we show direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium. Experimental determination of the location of this transition provides a much-needed benchmark for theory and may constrain the region of hydrogen-helium immiscibility and the boundary-layer pressure in standard models of the internal structure of gas-giant planets.

Questo processo, finora, non era mai stato osservato sperimentalmente.
Il team ha sfruttato quindi la capacità della Z machine di rilasciare impulsi elettrici di pochi sub-microsecondi, associati ad un campo magnetico. Questi sono stati usati per comprimere il deuterio, una variante più pesante dell'idrogeno, tramite una sorta d'onda d'urto a temperature relativamente basse (precedenti esperimenti avevano utilizzato cannoni a gas per ottenere l'effetto ma, aumentando la pressione, aumentava anche la temperatura oltre la gamma di interesse).

"Abbiamo iniziato a 20 gradi Kelvin [circa -253 gradi Celsius], dove l'idrogeno è liquido, mandando qualche scossa da un centinaio di kilobar per scaldare il liquido", ha spiegato Knudson. "Quindi abbiamo utilizzato il campo magnetico della Z per comprimere ulteriormente l'idrogeno, tenendolo proprio sopra la linea liquido-solido a circa 1.000 gradi Kelvin [circa 727 gradi Celsius]".

"Quando il liquido è stato compresso oltre 12 volte la sua densità di partenza, ha iniziato a diventare atomico piuttosto che molecolare", ha aggiunto Desjarlais.

La transizione, avvenuta a tre megabar, ora, dovrà essere inserita nei modelli astrofisici per confermare che è realmente responsabile per l'alterazione dell'età di Saturno. In ogni caso, la ricerca è riuscita a dimostrare, con osservazione diretta, che l'idrogeno può raggiungere la fase metallica, modificando le interazioni con l'elio