Alla fine degli anni quaranta del secolo scorso una nota campagna pubblicitaria coniò lo slogan molto accattivante “Un diamante è per sempre” che entrò nel linguaggio comune connotando tale minerale come un oggetto che sancisce un legame eterno e indistruttibile. Lo slogan si basava sul fatto che il diamante è il minerale più resistente al mondo (nessun altro materiale può scalfirlo), ma noi oggi sappiamo che in realtà quel famoso slogan involontariamente sottolineava anche un’altra caratteristica eccezionale del cristallo: l’età, che in alcuni casi può raggiungere persino i 3,5 miliardi di anni.

Diamanti e carbonio: esplorando le tracce extraterrestri che raccontano l’origine della vita e la formazione del Sistema Solare.

a cura di Carli Cristian, Nestola Fabrizio, Alvaro Matteo

Volendo poi, partendo dal famoso slogan, potremmo forgiarne addirittura un secondo non meno impattante: “Un diamante è per la vita”. I diamanti infatti sono minerali composti da carbonio puro e, da studi isotopici di tale carbonio, risulta evidente come molti diamanti si siano formati a partire da carbonio generato da sostanza organica. Una combinazione, quella fra carbonio e sostanze organiche che, in ambito delle scienze planetarie, induce a pensare alla presenza di segni di vita anche su altri pianeti.
Un diamante, perciò può formarsi solo sul nostro pianeta o esistono diamanti extraterrestri? E possono i diamanti fornirci informazioni sulla vita nel Sistema Solare?
Un recente lavoro ad esempio ha evidenziato la possibilità di trovare diamanti su Mercurio ma per rendere la ricerca sistematica e individuare altri campioni di diamanti extraterrestri è fondamentale definire quali sono i fattori che ne possono rivelare la presenza.
Proviamo in questo articolo a presentare le modalità attraverso cui la ricerca prova a rispondere alle precedenti domande partendo da ciò che si è scoperto sino ad oggi sul carbonio extraterrestre.

Carbonio extraterrestre

Lo studio del carbonio è di fondamentale importanza in quanto ci fornisce informazioni cruciali sull’origine della vita e sui processi che hanno avuto luogo miliardi di anni fa nel Sistema Solare, risalendo poi a ritroso sino all’origine del “tutto” al momento del Big Bang.
Sempre più studiosi negli ultimi decenni hanno cercato di approfondire la conoscenza di questo elemento chimico, e sui minerali che può contribuire a formare, operando sia in modo diretto, investigando ad esempio i campioni di roccia nei quali può essere rinvenuto, sia in maniera indiretta, dall’analisi di dati acquisiti da remoto o tramite modelli ed esperimenti.
Ma dove possiamo trovare il carbonio non proveniente dalla Terra?
La risposta è nelle circa 60 tonnellate di particelle di polvere cosmica/interplanetaria (IDP) di dimensioni comprese tra 1 e 50 µm che cadono sulla superficie terrestre ogni anno, a cui aggiungiamo sia le circa 17.600 meteoriti con una massa superiore a 50 grammi sia le micrometeoriti di dimensioni inferiori al millimetro.
A tali quantità possiamo sommare i campioni extraterrestri raccolti direttamente in situ, come avvenuto grazie alle missioni Apollo della Nasa e le missioni LUNA promosse dall’Unione Sovietica o, più recentemente, a missioni con target come comete (Stardust, NASA) o asteroidi (Hayabusa e Hayabusa2, JAXA o OSIRIS-Rex , NASA). C’è da dire che i campioni raccolti nelle missioni hanno di sicuro il vantaggio di essere ben localizzati ma giocano a sfavore sia le quantità esigue e spesso proprio il limite di essere riferite a pochi siti di campionamento (figura 1).

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La quantità di materiale invece che riusciamo ad ottenere grazie alla caduta di meteoriti e polvere interstellare è in continua crescita e proviene da diverse regioni del Sistema Solare, una fornitura per altro a titolo non oneroso e che non richiede di sostenere il macchinoso iter di una missione. Nel totale, in particolare le meteoriti e le IDP/micro-meteoriti, sono state a lungo utilizzate per indagare la formazione del nostro Sistema Solare e tentare di comprendere l’origine della vita.
Il carbonio è il quarto elemento più abbondante nella fotosfera solare e il quinto più abbondante nelle meteoriti, rinvenuto sia nelle acondriti differenziate, come quelle rocciose e ferrose, e sia nei principali gruppi di condriti non differenziate.
La prime classe di meteoriti, le acondriti differenziate, si generano poiché durante la formazione del Sistema Solare, oggetti divenuti sufficientemente grandi subiscono un processo di differenziazione, ossia la formazione di un nucleo, un mantello e una crosta, come il nostro pianeta Terra. Il motore che alimenta questo processo è principalmente il decadimento radioattivo del Alluminio-26 che produce temperature sufficientemente elevate per fondere i costituenti dei corpi celesti primitivi, sovrascrivendo così le caratteristiche originarie, incluso il carbonio.
Tuttavia, non tutti i corpi celesti subirono un processo di differenziazione essendo semplicemente troppo piccoli. Tali oggetti, classificati come corpi minori, asteroidi o pianeti nani, sono in genere i corpi genitori delle condriti e contengono materiale delle prime fasi di sviluppo del nostro sistema, sotto forma di composti organici e granuli di polvere molto rari, noti come granuli pre-solari. I granuli a loro volta si presentano sotto forma di diamante, grafite e carburo di silicio nelle condriti carbonacee e primitive. Fra le molte peculiarità è interessante sottolineare che tali granuli annoverano insolite firme isotopiche di gas nobili che non coincidono con la composizione generale del Sole.
Nei corpi planetari, il carbonio si presenta sia in forma nativa (cioè grafite e diamante) sia legato all’interno di minerali come carbonati e carburi. Inoltre, il carbonio può essere rinvenuto in una varietà di composti organici nelle condriti carbonacee e in alcune acondriti. Le varietà in cui il carbonio è presente in minerali associati a processi acquosi o in composti organici è la forma più investigata sino a ora, sia perché la più frequente, sia perché più facilmente associabile ad ambienti favorevoli alla vita.

Tornando allo slogan iniziale “Un diamante è per sempre”, negli ultimi anni l’importanza e la connessione tra i diamanti e le origini nella vita è stata messa in evidenza soprattutto con studi su diamanti terrestri. Si tratta di oggetti scientificamente preziosi perché possono inglobare minerali, o inclusioni fluide e gassose, che permettono di investigare le regioni più profonde del nostro pianeta. Ma non solo. Infatti come già detto, i diamanti si sono formati in periodi molto lontani. Quelli terrestri possono essere datati anche circa 3.5 miliardi di anni, mentre quelli extraterrestri possono risalire fino alle prime fasi di formazione del Sistema Solare. I diamanti, nonostante si formino in condizioni di pressione estremamente elevate, rimangono stabili in superficie per miliardi di anni, facendo in modo che ciò che ne rimane racchiuso possa considerarsi al sicuro, per periodi lunghi, da qualsiasi agente contaminante. Di conseguenza tali gemme preziose sono potenzialmente in grado di darci informazioni cruciali sull’origine dell’acqua sulla Terra, ma in alcuni casi, anche sull’origine del carbonio organico, quando il carbonio che va a formare i diamanti è un carbonio con firma isotopica tipica proprio di una data sostanza organica.

Diamanti extraterrestri

Abbiamo precedentemente detto che i diamanti sono stati ritrovati fra i costituenti dei granuli pre-solari rari presenti all’interno di condriti, primitive o carbonacee, quindi materia indifferenziata formatasi nelle primissime fasi di aggregazione del Sistema Solare ma anche all’interno di meteoriti differenziate, quali per esempio ureiliti, pallasiti e meteoriti metalliche, che rispettivamente sono rappresentative di materiali superficiali, del residuo di un mantello e del nucleo di un planetesimo. Stiamo parlando di diamanti di dimensioni molto piccole, da decine di nanometri a decine di micrometri.
Molti dei diamanti, soprattutto i più piccoli, ritrovati in queste meteoriti o negli IDP presentano firme di gas nobili non compatibili con il nostro sole ad indicare una formazione presumibilmente da gigante rossa o supernova precedente forse al nostro sistema solare.

Per gli altri diamanti questa volta di origine nel sistema solare e ritrovati nelle meteoriti, diventa importante capire quale possa essere il meccanismo di formazione. La genesi di tali cristalli risulta dibattuta in quanto le condizioni di pressione e temperatura necessarie per la loro formazione sono compatibili con protopianeti di dimensioni simili a Mercurio o Marte, facendo propendere per una formazione nell’interno. Tuttavia, studi recenti hanno evidenziato come condizioni favorevoli alla loro formazione si potrebbero creare anche semplicemente a causa dei molteplici impatti sulle superfici di corpi progenitori laddove fossero presenti fasi a carbonio e fasi metalliche affioranti.
Un esempio recente che ha portato a supportare almeno per alcuni casi la formazione sulla superficie di protopianeti è arrivato con lo studio dalla caduta di Almahata Sitta. Un asteroide, di circa 4 metri di diametro, entrato in atmosfera terrestre e successivamente esploso a 37 km di altezza, è caduto nell’ottobre del 2008 in tale località (figura 2).

Tra il materiale, molto eterogeneo, che è stato ritrovato, erano presenti parecchi frammenti di ureiliti, acondriti relativamente ricche in fasi a carbonio. Al loro interno sono individuati diversi diamanti di dimensioni per lo più di pochi nanometri ma con alcune eccezioni che raggiungono i 40-100 micron. Non sembra casuale che i diamanti si trovino spesso in ureiliti con un grado di shock molto alto (figura 3).

In passato, alcuni ricercatori hanno inoltre ipotizzato che in alcuni pianeti esterni giganti esistessero le condizioni favorevoli alla formazione di diamanti sotto la spessa atmosfera in grado di dar luogo addirittura a piogge di diamanti. Condizioni sperimentali in laboratorio negli ultimi anni hanno in parte avvalorato l’ipotesi che queste condizioni potrebbero realmente generare fasi a carbonio nel campo di stabilità del diamante partendo da materiale ricco in carbonio e idrogeno (ad esempio metano o poliestilene) con locali condizioni di alta pressione e temperatura (generate con celle a diamante e/o laser a raggi X). Nessun dato osservativo da remoto però fino ad oggi ha confermato la presenza di diamanti a basse profondità all’interno di pianeti quali Urano o Nettuno.

Caso differente invece è Mercurio. La futura missione Bepicolombo avrà tra gli obiettivi anche quelli di verificare se le regioni più scure della superficie di Mercurio, ricche in grafite, possano essere i residui dei terreni più antichi, nati per galleggiamento superficiale nelle prime fasi di formazione dell’oceano di magma. In tal modo alcune delle rocce più antiche di Mercurio potrebbero essere caratterizzate da una quantità di grafite significativa stimata da remoto in almeno un 3-5% nonostante il rimescolamento del regolite superficiale a causa degli innumerevoli impatti. Ma se le rocce superficiali si sono formate per galleggiamento di grafite su un mantello con una relativa bassa densità, quanto carbonio potrebbe essere rimasto nel mantello o nel nucleo del pianeta? E a che condizioni di pressione e temperature potrebbe essere stato esposto?

Recentemente alcuni lavori sperimentali hanno provato a rispondere a queste domande partendo dall’assunto che se la grafite costituisce la crosta primaria l’oceano di magma doveva essere saturo in carbonio. Tali lavori hanno evidenziato come sarebbe possibile che all’interno del pianeta si possa essere formata una zona relativamente ricca di fasi a carbonio cristalline, sotto forma di grafite o diamante a seconda della quantità di zolfo presente, che indica condizioni fortemente riducenti. In particolare, si è ipotizzato un possibile strato tra 10 e 100 m posto all’interfaccia tra il mantello e nucleo, variando verso condizioni sempre più riducenti, dove si potrebbero raggiungere condizioni di pressione e temperatura di 7 GPa e 2213 K. In modo corrispondente uno strato superficiale tra 100 e 1000 m di grafite si sarebbe formato dall’oceano di magma (sempre in funzione delle diverse condizioni di riduzione ipotizzabili). La presenza di diamanti potrebbe essere confermata da altre informazioni? La risposta è si. In alcuni recenti studi è stato dimostrato che il momento di inerzia del pianeta sembra indicare una maggiore profondità del confine mantello-nucleo aumentando così la porzione di pianeta in cui si possono raggiungere condizioni ideali di pressione e temperatura per nucleazione e crescita di diamanti (figura 4).

Tuttavia Mercurio non ha una tettonica delle placche, ma ha avuto un sistema di convezione nel mantello, e soprattutto un vulcanismo secondario, che ha quasi completamente ricoperto la crosta primaria formatasi per galleggiamento. Tali proporzioni del vulcanismo su Mercurio sono indice di grandi quantità di magma emesso sulla superficie in un secondo momento, dopo la formazione della crosta primaria. Il materiale è risalito dal mantello e molto probabilmente anche dagli strati più profondi del mantello. Come avviene per la Terra il vulcanismo di materiale che risale da zone profonde del mantello potrebbe aver strappato alcuni dei potenziali diamanti formatisi in profondità riportandoli alla luce. In particolare si ipotizza che alcune regioni sulla superficie, definite come province ad alto magnesio, potrebbero rappresentare delle zone in cui localizzare possibili diamanti formatisi in regioni profonde proprio al limite tra mantello e nucleo. Inoltre su Mercurio si potrebbe anche ipotizzare la presenza di diamanti da alte profondità e diamanti superficiali, formatisi a causa di forti impatti in zone ricche di grafite nella crosta primaria.
Per poter analizzare accuratamente queste aree però si dovrebbero immaginare missioni in situ sulla superficie di Mercurio, cosa che ad oggi lo sviluppo tecnologico non consente ancora.

In conclusione la possibilità di trovare diamanti provenienti da altri pianeti o asteroidi è bassa ma non nulla. Lo studio di tali diamanti ha importanza chiave per la comprensione per esempio dei processi di differenziazione di acqua e carbonio tra zone interne ed esterne del sistema solare nelle sue prime fasi di formazione. I diamanti, ed in particolare quelli che si formano in profondità, sono in grado di intrappolare fasi solide, liquide o gassose, che potrebbero essere “congelate” ad un periodo vicino, ma precedente temporalmente parlando, al periodo dell’antico bombardamento (supposto a circa 4.1-3.8 miliardi di anni fa) così da consegnarci informazioni isotopiche che guiderebbero la compressione della provenienza di idrogeno e carbonio nei pianeti interi nelle prime fasi di origine della vita.

APPROFONDIMENTI

Diamanti terrestri e l’origine dell’acqua e della vita

Sulla Terra i diamanti si formano molto in profondità, nel mantello terrestre (addirittura fino a 700 km di profondità), e risalgono fino alla superficie in strutture come kimberliti e lamproiti. Recenti scoperte hanno messo in evidenza come tracce importanti di acqua si possano trovare non solo nei diamanti litosferici (c.a. 150 km di profondità) ma anche in quelli formatisi a grandi profondità (oltre 700 Km). Questa scoperta ha fornito importanti informazioni relative al bilancio dell’acqua nelle regioni più profonde della Terra. La ricerca di diamanti contenenti acqua provenienti da grandi profondità potrebbe portare alla possibilità di studiare il rapporto tra due isotopi dell’idrogeno, il deuterio e l’idrogeno stesso. Questo rapporto può essere un fattore chiave per capire da dove l’acqua provenga nel sistema solare. Infatti tale rapporto varia in funzione delle diverse regioni del sistema solare, interne od esterne. Inoltre, studi isotopici si possono anche eseguire sul carbonio per capire se parte del materiale planetario, asteroidale o cometario, possa essere stato portato in profondità nel nostro pianeta e quindi “riciclato”.

Letterature suggerite

– Xu Y. et al. (2024) A diamond-bearing core-mantle boundary on Mercury. Nature Communications, 15, 5061. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49305-x

– Mouser, M.D. (2024) A diamond layer in Mercury’s deep interior. Nature Communications 15, 5062 . https://doi.org/10.1038/s41467-024-49497-2

– Christ O. et al. (2024) Open questions on carbonaceous matter in meteorites. Nature, Communications Chemistry, https://doi.org/10.1038/s42004-024-01200-8

– Nestola F. et al. (2018) CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle. Nature, 237–241. doi:10.1038/nature25972

– Tschauner et al. (2018) Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139. doi:10.1126/science.aao3030

– Nabiei et al. (2018) A large planetary body inferred from diamond inclusions in a ureilite meteorite. Nature Communications, 9(1327). doi:10.1038/s41467-018-03808-6

– Nestola F. et al. (2020) Impact shock origin of diamonds in ureilite meteorites. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.1919067117

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L’articolo è pubblicato in COELUM 271 VERSIONE CARTACEA