Mercurio è un pianeta che, lentamente, si sta restringendo. Non si tratta di un processo improvviso né facilmente percepibile: il suo interno perde calore e, raffreddandosi, il pianeta si contrae. La crosta deve quindi adattarsi a una riduzione delle dimensioni del pianeta e lo fa attraverso gigantesche deformazioni della superficie.
Sono le lobate scarps, o scarpate lobate, una delle caratteristiche geologiche più evidenti di Mercurio: grandi rilievi che corrispondono alla manifestazione superficiale di faglie inverse e sistemi di pieghe e sovrascorrimenti. Possono estendersi per decine o centinaia di chilometri; una delle più grandi, Enterprise Rupes, raggiunge circa 1.000 chilometri di lunghezza e oltre 3 chilometri di dislivello.
Ora uno studio condotto da ricercatori dell’Università di Padova, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF-OAPD) e dell’Università di Milano-Bicocca propone una spiegazione per un aspetto finora poco chiaro: come hanno fatto faglie così grandi a muoversi nella crosta di Mercurio? La risposta potrebbe essere scritta con la grafite, lo stesso materiale che troviamo nelle mine delle matite.
Una “lubrificazione” senza acqua
Sulla Terra, il movimento lungo molte faglie può essere favorito dalla presenza di fluidi che riducono l’attrito tra le rocce. Su Mercurio, però, un meccanismo di questo tipo è molto meno plausibile: il pianeta è praticamente privo delle condizioni che sulla Terra permettono la presenza di grandi quantità di fluidi nelle rocce della crosta. I ricercatori hanno quindi cercato un altro meccanismo.
Il candidato è la grafite, una forma cristallina del carbonio nota anche per le sue proprietà lubrificanti. Mercurio è infatti il pianeta terrestre con il più elevato contenuto medio di carbonio, stimato nello studio intorno all’1,4% in peso. Alcune delle sue aree superficiali più scure, il cosiddetto Low Reflectance Material, sono particolarmente ricche di carbonio e sono considerate associate alla presenza di grafite. L’ipotesi è che una parte di questo materiale sia un’eredità delle primissime fasi della storia di Mercurio.
Un’eredità della nascita del pianeta
Quando Mercurio era ancora molto giovane e il suo interno era in gran parte fuso, la grafite potrebbe essersi concentrata in uno strato superficiale formatosi durante la differenziazione del pianeta. Questo antico strato non sarebbe però rimasto intatto. Il bombardamento di asteroidi e comete che ha caratterizzato le prime fasi della storia del Sistema solare avrebbe frammentato e rimescolato la crosta, distribuendo la grafite a diverse profondità.
Secondo il nuovo studio, alcuni residui di questo antico strato ricco di carbonio potrebbero essere ancora presenti nella crosta mercuriana. In determinate condizioni, il materiale potrebbe essere stato trascinato lungo le superfici di faglia e spalmato lungo il piano di scorrimento, formando sottilissimi film di grafite. Ed è proprio qui che entra in gioco la proprietà più interessante della grafite.
Un film sottilissimo può indebolire una faglia gigantesca
Gli esperimenti condotti in laboratorio hanno mostrato che la presenza di grafite può ridurre significativamente l’attrito lungo una superficie di scorrimento. La cosa sorprendente è che non sarebbe necessario che la grafite costituisse una parte consistente dell’intera roccia. Secondo il modello proposto dagli autori, quantità relativamente piccole possono diventare molto efficaci quando vengono concentrate in film sottilissimi, anche dell’ordine del millimetro o meno, lungo la superficie principale di scorrimento.
In altre parole, non sarebbe necessario immaginare una crosta mercuriana completamente impregnata di grafite. Basterebbe che il minerale fosse presente nel posto giusto, lungo le superfici sulle quali la roccia deve deformarsi.
«Abbiamo dimostrato che sistemi di faglie di grandi dimensioni possono essere controllati da sottili film di grafite che possono condizionare la deformazione crostale dell’intero pianeta, rendendo Mercurio un mondo unico nel Sistema solare» spiega Telemaco Tesei, del Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova, che ha condotto le sperimentazioni meccaniche dello studio.
Faglie più piatte, una contrazione forse maggiore
La ricerca introduce anche un elemento importante per comprendere quanto Mercurio si sia effettivamente contratto. Le grandi strutture osservate sulla superficie sembrano essere associate, secondo gli autori, a faglie inverse con angoli di inclinazione relativamente bassi, circa 5-15 gradi. È un dato importante perché una faglia più piatta e con basso attrito può produrre un determinato rilievo richiedendo una quantità maggiore di accorciamento orizzontale della crosta.
Le stime precedenti sulla contrazione del pianeta sono molto variabili: alcuni studi hanno indicato una riduzione del raggio di circa 1-3 chilometri, mentre altre ricostruzioni sono arrivate a circa 4-7 chilometri.
Il nuovo lavoro non stabilisce quale sia il valore definitivo, ma suggerisce che le stime più conservative potrebbero sottovalutare la quantità complessiva di contrazione. Se una parte significativa delle scarpate lobate è effettivamente legata a faglie a basso angolo e a basso attrito, la quantità di accorciamento necessaria per produrre i rilievi osservati potrebbe essere maggiore.
Sistema Solare. © Illustrazione Pixabay
Un pianeta ancora in trasformazione
Mercurio è il pianeta più vicino al Sole e il più piccolo dei quattro pianeti terrestri. La sua superficie è stata studiata in dettaglio soprattutto grazie alla missione Messenger della NASA, che tra il 2011 e il 2015 è stata la prima sonda a entrare in orbita intorno a Mercurio. Le immagini di MESSENGER hanno mostrato quanto siano diffuse le scarpate lobate sulla superficie. La loro origine è stata collegata da tempo al raffreddamento e alla contrazione dell’interno del pianeta.
La nuova ricerca aggiunge un tassello a questo quadro: non cambia l’idea di fondo secondo cui il raffreddamento interno è il motore della contrazione, ma propone un meccanismo capace di spiegare come la crosta abbia potuto deformarsi attraverso grandi faglie con un attrito relativamente basso. «Le faglie terrestri sono spesso “lubrificate” dalla presenza di fluidi che ne facilitano il movimento» osserva Andrea Bistacchi, del Dipartimento di Scienze dell’Ambiente e della Terra dell’Università di Milano-Bicocca, coautore dello studio. «Ma fluidi come quelli presenti sulla Terra non sono disponibili su Mercurio per la sua estrema vicinanza al Sole e la sua ridotta gravità. Per questo è stato necessario scoprire un meccanismo alternativo per spiegare la debolezza delle faglie mercuriali».
La grafite racconta la storia delle origini di Mercurio
La parte forse più interessante della scoperta è che un materiale presente oggi nella crosta potrebbe essere una sorta di testimone della nascita del pianeta. I modelli sulla formazione di Mercurio suggeriscono infatti che, durante le prime fasi della sua differenziazione, la grafite avrebbe potuto formare una sorta di strato di galleggiamento sulla superficie del pianeta ancora giovane. Gli impatti successivi avrebbero poi distrutto e rimescolato questo materiale.
Secondo gli autori, alcuni suoi residui potrebbero essere rimasti incorporati nella crosta e aver continuato ad avere un ruolo nella tettonica di Mercurio per miliardi di anni. È un esempio particolarmente evidente di come processi avvenuti all’inizio della storia di un pianeta possano condizionarne la geologia molto tempo dopo. «I risultati suggeriscono che, senza la grafite, alcuni degli imponenti sistemi di faglie osservati oggi su Mercurio non potrebbero esistere nella forma in cui li vediamo» spiega Natalia A. Vergara Sassarini, prima autrice dello studio, affiliata all’Università di Padova all’avvio della ricerca e oggi all’INAF-OAPD. «Più in generale, essi mostrano come i primi istanti della formazione di un pianeta possano determinare la forma della sua superficie miliardi di anni dopo».
Ora arriva BepiColombo
La ricerca arriva in un momento particolarmente interessante per la planetologia. Dopo un viaggio durato circa otto anni attraverso il Sistema solare interno, la missione BepiColombo, realizzata congiuntamente dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e dall’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA), è ormai prossima alla sua destinazione. La sonda entrerà in orbita intorno a Mercurio il 21 novembre 2026. Successivamente, il modulo europeo MPO e quello giapponese Mio si separeranno, mentre la fase scientifica della missione è prevista a partire dall’aprile 2027.
A bordo del Mercury Planetary Orbiter europeo c’è anche SIMBIO-SYS, il sistema di strumenti destinato a ottenere immagini ad alta risoluzione e informazioni sulla composizione della superficie. Il suo lavoro sarà particolarmente importante per la ricerca sulle strutture tettoniche mercuriane: permetterà infatti di ricostruire in tre dimensioni rilievi e scarpate e di studiarne con maggiore dettaglio geometria e composizione.
«A pochi mesi dall’inserzione in orbita di Mercurio della sonda BepiColombo di ESA/JAXA, prevista per il prossimo novembre, questa scoperta pone le basi per ricerche mirate a verificare nel dettaglio le geometrie di queste enormi faglie e la presenza di grafite in loro prossimità» sottolinea Matteo Massironi, del Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova, coautore dello studio e Project Scientist di SIMBIO-SYS. Le osservazioni di BepiColombo potrebbero quindi offrire un’occasione importante per mettere alla prova l’ipotesi proposta dal nuovo studio. Se la presenza di grafite lungo o vicino alle grandi zone di faglia potrà essere individuata e collegata alle loro caratteristiche geometriche, sarà possibile capire meglio non soltanto come Mercurio si sia contratto, ma anche come la sua composizione primordiale abbia continuato a influenzarne l’evoluzione per miliardi di anni.
In un certo senso, la superficie di Mercurio conserva ancora oggi la traccia di un materiale nato quando il pianeta era appena formato. E quella “mina di matita” cosmica potrebbe aver contribuito a disegnare le cicatrici più imponenti del pianeta più interno del Sistema solare.
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