Marte potrebbe avere un nucleo interno solido come la Terra… che risolverebbe un mistero di lunga data

Le nuove analisi sismiche della missione InSight rivelano che il nucleo di Marte ha una struttura a doppio strato, solido internamente e liquido all’esterno, come quello terrestre, ravvivando il dibattito sul possibile antico campo magnetico marziano e sull’aspetto della sua precedente atmosfera
di Kevin Olsen e Mhairi Reid/The Conversation
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Gli scienziati hanno scoperto che Marte ha una struttura interna simile a quella della Terra. I risultati della missione Insight della NASA suggeriscono che il Pianeta Rosso ha un nucleo interno solido circondato da un nucleo esterno liquido, risolvendo potenzialmente un mistero di lunga data.

I risultati, pubblicati su “Nature”, hanno importanti implicazioni per la comprensione dell’evoluzione di Marte. Miliardi di anni fa, il pianeta potrebbe aver avuto un’atmosfera più densa che permetteva all’acqua liquida di scorrere sulla superficie. Questa atmosfera più spessa potrebbe essere stata mantenuta da un campo magnetico protettivo, come quello della Terra. Oggi, però, Marte è privo di tale campo. Gli scienziati si sono chiesti se la perdita di questo campo magnetico abbia portato il Pianeta Rosso a perdere la sua atmosfera nello spazio e a diventare il deserto freddo e secco che è oggi.

Una proprietà fondamentale della Terra è che il suo nucleo ha un centro solido e un nucleo esterno liquido. La convezione all’interno dello strato liquido crea una dinamo che produce il campo magnetico. Il campo devia le particelle cariche espulse dal Sole, impedendo loro di eliminare l’atmosfera terrestre nel tempo e portando alle condizioni di abitabilità che conosciamo e di cui godiamo. Dalla magnetizzazione residua nella crosta, pensiamo che un tempo Marte avesse un campo magnetico, forse dovuto a una struttura del nucleo simile a quella della Terra. Tuttavia, gli scienziati ritengono che il nucleo si sia raffreddato e abbia smesso di muoversi a un certo punto della sua storia.

Sulla superficie di Marte vi è un’enorme quantità di prove che dimostrano che un tempo scorreva acqua liquida, il che suggerisce condizioni più ospitali in passato. Le prove si presentano in molte forme, tra cui i letti di laghi asciutti con minerali che si sono formati sotto l’acqua, o le spettacolari reti di valli scavate da fiumi e torrenti. Tuttavia, oggi l’atmosfera marziana è sottile e la quantità d’acqua necessaria non si trova da nessuna parte.

I gruppi che lavorano con i sismometri del lander marziano InSight della NASA hanno identificato per la prima volta il nucleo marziano e hanno determinato che in realtà era ancora liquido. Ora, i nuovi risultati ottenuti da Huixing Bi, dell’Università cinese della scienza e della tecnologia di Hefei e colleghi, mostrano che potrebbe esserci anche uno strato solido all’interno del nucleo liquido.

La natura della struttura interna di Marte è stata un intrigante mistero. È mai stato come quello della Terra, con uno strato liquido dinamico attorno a un centro solido? Oppure le dimensioni ridotte di Marte hanno impedito una tale formazione? Quanto deve essere grande un pianeta per ottenere la protezione di un campo magnetico, come quello terrestre, e sostenere un clima abitabile?

Per capire che cosa è successo e come si è evoluto Marte, dobbiamo capire il pianeta così com’è oggi. Queste domande sull’atmosfera, l’acqua e il nucleo di Marte hanno motivato diverse missioni marziane di alto profilo. I rover Spirit, Opportunity, Curiosity e Perseverance della NASA hanno studiato la mineralogia della superficie, l’ExoMars Trace Gas Orbiter dell’Agenzia spaziale europea studia il ciclo dell’acqua, la sonda Maven della NASA studia le perdite atmosferiche nello spazio e il lander InSight della NASA è stato inviato per studiare l’attività sismica.

Nel 2021, Simon Stähler, del Politecnico di Zurigo in Svizzera, e colleghi hanno pubblicato un documento fondamentale sulla missione InSight. In esso hanno presentato un’analisi del modo in cui le onde sismiche attraversano Marte dai terremoti in prossimità di InSight, attraverso il mantello, il nucleo, per poi riflettersi sull’altro lato del pianeta e raggiungere InSight.

Per la prima volta gloi scienziati hanno rilevato prove dell’esistenza del nucleo e sono stati in grado di definirne le dimensioni e la densità. Hanno modellizzato un nucleo con un singolo strato liquido, più grande e meno denso del previsto, senza un nucleo interno solido. Le dimensioni erano enormi, circa la metà del raggio di Marte (1800 chilometri), e la bassa densità implicava che fosse pieno di elementi leggeri. Gli elementi leggeri, come il carbonio, lo zolfo e l’idrogeno, modificano la temperatura di fusione del nucleo e influenzano il modo in cui potrebbe cristallizzarsi nel tempo, rendendo più probabile che rimanga liquido.

Il nucleo interno solido (610 chilometri di raggio) trovato da Huxing Bi e colleghi è estremamente significativo. La presenza stessa di un nucleo interno solido dimostra che la cristallizzazione e la solidificazione avvengono con il raffreddamento del pianeta nel tempo.

La struttura del nucleo è più simile a quella della Terra e quindi è più probabile che abbia prodotto una dinamo in qualche momento. Sulla Terra, sono i cambiamenti termici, dovuti cioè al calore, tra il nucleo interno solido, lo strato liquido e il mantello a determinare la convezione nello strato liquido e a creare la dinamo che porta a un campo magnetico. Questo risultato rende più probabile che una dinamo su Marte sia stata possibile in passato.

Con Simon Stähler e coautori che riferiscono di un nucleo completamente liquido e Huxing Bi e colleghi che riferiscono di un nucleo interno solido, potrebbe sembrare che ci siano delle contraddizioni. Ma non è questo il caso. Si tratta di un eccellente esempio di progresso nella raccolta e nell’analisi dei dati scientifici.

Modelli di Marte in competizione
InSight è atterrato nel novembre 2018 e il suo ultimo contatto con la Terra è avvenuto nel dicembre 2022. Con la pubblicazione di Stähler nel 2021, ci sono nuovi dati di InSight da esaminare. Il modello di Stähler è stato rivisto nel 2023 da Henri Samuel, dell’Université Paris Cité, e colleghi. La revisione delle dimensioni e della densità del nucleo ha contribuito a riconciliare i risultati di InSight con altre prove.

Nell’articolo di Stähler non viene esclusa la presenza di un nucleo interno solido. Gli autori affermano che la potenza del segnale dei dati analizzati non era abbastanza forte da poter essere utilizzata per identificare le onde sismiche che attraversano il confine del nucleo interno. Si tratta di un’eccellente prima misurazione del nucleo di Marte, ma lascia aperta la questione di ulteriori strati e strutture.

Nell’ultimo studio pubblicato su “Nature”, gli scienziati hanno ottenuto il risultato grazie a un’attenta selezione di specifici tipi di eventi sismici, a una certa distanza da InSight. Inoltre, hanno impiegato alcune nuove tecniche di analisi dei dati per estrarre un segnale debole dal rumore dello strumento.

Questo risultato avrà sicuramente un impatto all’interno della comunità, e sarà molto interessante vedere se ulteriori rianalisi dei dati di InSight sosterranno o rifiuteranno il loro modello. Seguirà una discussione approfondita sul contesto geologico più ampio e sull’adattamento del modello ad altri dati disponibili che vincolano le dimensioni e la densità del nucleo.

La comprensione della struttura interna dei pianeti del nostro sistema solare è fondamentale per sviluppare idee sulla loro formazione, crescita ed evoluzione. Prima di InSight, sono stati studiati modelli per Marte simili a quelli della Terra, ma non sono stati certo favoriti.

L’autore e l’autrice
Kevin Olsen è UKSA Mars Science Fellow presso il Dipartimento di fisica dell’Università di Oxford, nel Regno Unito.
Mhairi Reid è studentessa di dottorato presso l’Università di Oxford, nel Regno Unito.