Nel novembre del 2021, il James Webb Space Telescope (JWST) compirà il suo tanto atteso viaggio nello spazio. Questo osservatorio di nuova generazione osserverà il cosmo utilizzando la sua avanzata suite a infrarossi e rivelerà molte cose mai viste prima. Entro il 2024, si unirà al Nancy Grace Roman Space Telescope (RST), il successore della missione Hubble che avrà un campo visivo 100 volte maggiore di Hubble e tempi di osservazione più rapidi:
Questi strumenti daranno enormi contributi a molti campi di ricerca, non ultimo la scoperta e la caratterizzazione dei pianeti extrasolari . Ma anche con le loro ottiche e capacità avanzate, queste missioni non saranno in grado di esaminare le superfici degli esopianeti in alcun dettaglio. Tuttavia, un team dell’UC Santa Cruz (UCSC) e dello Space Science Institute (SSI) ha sviluppato la cosa migliore: uno strumento per rilevare la superficie di un esopianeta senza vederla direttamente. L’articolo che descrive la loro ricerca, intitolato “Come identificare le superfici degli esopianeti usando le specie di tracce atmosferiche nelle atmosfere dominate dall’idrogeno“, è apparso di recente su The Astrophysical Journal . Come hanno indicato, il team ha cercato di sviluppare modi per studiare le superfici degli esopianeti in base alla loro composizione atmosferica. Ciò è necessario poiché nessuno dei prossimi telescopi spaziali ha la capacità di studiare indirettamente le caratteristiche della superficie di un esopianeta.
Tuttavia, questi stessi telescopi saranno ottimi strumenti per determinare la composizione delle atmosfere degli esopianeti. Oltre al James Webb e ai telescopi spaziali romani , nei prossimi anni diventeranno operativi numerosi osservatori terrestri di prossima generazione che avranno capacità simili. Questi includono l’ Extremely Large Telescope (ELT), il Giant Magellan Telescope (GMT) e il Thirty Meter Telescope (TMT). Con la loro combinazione di alta sensibilità, coronografi e ottica adattiva, questi osservatori saranno in grado di condurre studi Direct Imaging di esopianeti, in cui verrà studiata la luce riflessa direttamente dall’atmosfera di un esopianeta per determinare la composizione atmosferica. Ciò aiuterà gli astronomi e gli astrobiologi a stabilire vincoli più rigidi su quali esopianeti sono “potenzialmente abitabili” e quali no. Tuttavia, le condizioni che consideriamo prerequisiti per la vita includono anche processi geologici come l’attività vulcanica e la tettonica delle placche, che sono distinguibili dalle caratteristiche superficiali associate. Anche se potremmo non essere in grado di discernerli nel prossimo futuro, Xinting Yu (un borsista post-dottorato in Scienze della Terra e dei pianeti presso l’UCSC) e i suoi colleghi hanno proposto un nuovo modo per determinare le caratteristiche della superficie in base all’abbondanza di gas atmosferici. Come ha spiegato il Dr. Yu a Universe Today via e-mail, l’ispirazione per questo metodo è venuta da due corpi nel nostro Sistema Solare: Giove e Titano (la luna più grande di Saturno). Entrambi i corpi hanno atmosfere gassose dense con due specie chimiche – ammoniaca (NH 3 ) e metano (CH 4 ) – che svolgono un ruolo importante nei processi atmosferici. Ha detto Yu:
“Titan ha una superficie fredda e poco profonda con quasi nessuna (o non dovrebbe esserci) ammoniaca e metano, mentre l’atmosfera di Giove ha molta ammoniaca e metano. Perché sta succedendo? Nell’atmosfera superiore sia di Giove che di Titano, l’ammoniaca e il metano vengono costantemente distrutti dai fotoni UV, formando azoto (per l’ammoniaca) e idrocarburi più complessi (per il metano). Su Titano, l’azoto e gli idrocarburi complessi formati dalla fotochimica continuano a formarsi e ad accumularsi”.
In breve, metano e ammoniaca vengono distrutti nell’atmosfera di Titano e poi consumati per formare azoto e idrocarburi. Questo è ciò che ha portato l’azoto a diventare il gas dominante nell’atmosfera di Titano (98% in volume) e la grande deposizione di idrocarburi sulla sua superficie, portando alla formazione di un ambiente ricco di sostanze organiche. A causa del freddo estremo della superficie di Titano, questo processo di conversione è irreversibile. Giove, d’altra parte, ha anche ammoniaca e metano nella sua densa atmosfera, ma non ha una superficie di cui parlare. Come ha spiegato Yu, questo si traduce in un processo piuttosto diverso in cui le specie chimiche coinvolte:
“Poiché non c’è superficie su Giove, l’atmosfera si estende fino a migliaia di pressioni sulla superficie terrestre e migliaia di kelvin. L’azoto e gli idrocarburi complessi formati dalla fotochimica nell’alta atmosfera possono essere trasportati in questa parte profonda e calda dell’atmosfera. Lì, potrebbero combinare l’idrogeno per riformare il metano e l’ammoniaca. Il metano e l’ammoniaca riformati vengono quindi “riciclati” nell’alta atmosfera. Questo ciclo continua a ricostituire il metano e l’ammoniaca distrutti».
Un altro punto chiave affrontato da Yu e dal suo team ha a che fare con l’attuale censimento degli esopianeti. Ad oggi, la maggior parte degli esopianeti scoperti sono stati mini-Nettuno, cioè pianeti meno massicci di Nettuno ma con una densa atmosfera dominata da idrogeno ed elio. Infatti, dei 4.401 esopianeti confermati fino ad oggi, 1.488 sono stati identificati come “simili a Nettuno”, con masse che vanno da 9 volte quella della Terra a poco meno di Giove.
A causa dei loro involucri gassosi e delle distanze coinvolte, è impossibile determinare se questi pianeti siano emersi e dove si trovino. A causa della loro importanza statistica, Yu e il suo team hanno deciso di usarne uno in particolare per testare il loro nuovo approccio. Questo era K2-18b, un mini-Nettuno con circa 8 volte la massa della Terra che orbita all’interno della zona abitabile (HZ) di una stella nana rossa (K2-18) situata a 124 anni luce dalla Terra. Originariamente rilevato dal telescopio spaziale Kepler nel 2015, K2-18b è il primo esopianeta HZ trovato ad avere quantità significative di vapore acqueo nella sua atmosfera. Utilizzando un modello fotochimico, Yu e il suo team hanno simulato come la presenza di una superficie su questo esopianeta influenzerebbe l’evoluzione atmosferica di K2-18b. Hanno anche rappresentato diversi livelli di pressione atmosferica e temperatura, fattori legati all’elevazione della superficie.
“Ci chiediamo se possiamo usare l’abbondanza di specie come l’ammoniaca e il metano per dire se un esopianeta ha o meno una superficie”, ha detto Yu. “Una superficie fredda e poco profonda eliminerebbe tutte le reazioni di “riciclaggio” che richiedono alte temperature e pressioni nelle atmosfere planetarie profonde per riformare metano e ammoniaca. Quindi, ci aspettiamo di vedere poco metano e ammoniaca su un esopianeta con una superficie fredda e poco profonda, e molto metano e ammoniaca su un esopianeta senza superficie o una superficie profonda e calda». Quello che hanno scoperto è che l’ammoniaca e il metano, come previsto, erano entrambi sensibili sia alla presenza che all’elevazione di una superficie. Ciò è coerente con ciò che è stato osservato con gli esopianeti che hanno superfici fredde e poco profonde, dove specie chimiche come acqua, acido cianidrico e idrocarburi più pesanti vengono scomposte dall’esposizione ai raggi UV. Nel frattempo, vengono mantenute specie come il monossido di carbonio e l’anidride carbonica (che sono meno inclini alla distruzione dei raggi UV).
Ciò che era inaspettato, tuttavia, era il modo in cui sostanze chimiche diverse sono sensibili in modi diversi a diversi livelli di elevazione. Secondo Yu, ciò è dovuto al fatto che le specie di carbonio e azoto hanno un “punto debole” in cui possono essere completamente riciclate. Mentre l’ammoniaca e l’acido cianidrico (HCN) sono sensibili alle atmosfere con densità di 100 bar in superficie (100 volte quella della Terra, simile a Venere), il metano, il monossido di carbonio e l’anidride carbonica sono sensibili a pressioni inferiori a 10 bar in superficie (dieci volte quella della Terra). Questi risultati presentano molteplici implicazioni per lo studio degli esopianeti, primo fra tutti il fatto che le superfici planetarie sono importanti. Ha detto Yu:
“In precedenza, gli scienziati prevedevano le composizioni atmosferiche degli esopianeti utilizzando modelli di equilibrio termochimico. Le composizioni atmosferiche sono determinate esclusivamente dalla pressione e dalla temperatura dell’atmosfera. Ma il nostro studio mostra che, anche se la pressione e la temperatura sono le stesse, l’aggiunta di una superficie può cambiare drasticamente la composizione atmosferica di un esopianeta!”
Un’altra implicazione di questo studio è che è possibile per gli astronomi conoscere le superfici degli esopianeti in base alla loro composizione atmosferica. “Ad esempio, quando gli osservatori vedono quantità esaurite di ammoniaca e HCN, possiamo dire che questo esopianeta ha una superficie inferiore a 100 bar”, ha aggiunto Yu. “Quindi se vediamo anche quantità impoverite di metano, idrocarburi e una maggiore quantità di monossido di carbonio, ciò indica una superficie inferiore a 10 bar. È piuttosto promettente per identificare esopianeti abitabili!”.
Oltre alla caratterizzazione dei mini-Nettuno, questa ricerca ha implicazioni anche per tutti gli altri tipi di esopianeti, compresi quelli rocciosi, “simili alla Terra”. Infatti, finché il pianeta in questione ha un’atmosfera ed è soggetto a radiazioni UV nella sua atmosfera superiore, la dimensione dell’esopianeta è irrilevante. In tutti i casi, gli astronomi vedranno le stesse differenze nelle abbondanze chimiche a seconda che ci sia o meno una superficie. Secondo Yu, sono gli esopianeti più piccoli e più freddi che sono obiettivi di test più promettenti per questo metodo poiché è più probabile che abbiano superfici basse e fredde. Tuttavia, i pianeti più piccoli hanno anche maggiori probabilità di avere processi interni o superficiali che influenzeranno l’abbondanza di alcune sostanze chimiche nelle loro atmosfere, come l’attività vulcanica e la tettonica a zolle. Più piccoli sono, più significativi potrebbero essere questi processi. Queste e altre preoccupazioni sono cose che Yu e il suo team non vedono l’ora di studiare in modo più dettagliato in futuro per determinare la robustezza dei loro risultati e come potrebbero essere influenzati da diverse perturbazioni dalla superficie/interno degli esopianeti. I loro sforzi, e quelli degli astrobiologi in generale, trarranno grande beneficio dal lancio del JWST, che è attualmente previsto per novembre del 2021. Ha detto Yu:
“Il nostro studio evidenzia un interessante punto di vista scientifico per JWST. Va bene avere solo dati di caratterizzazione atmosferica. Senza osservazioni dirette della superficie, possiamo ancora dire se un esopianeta ha una superficie e anche approssimativamente dove si trova la superficie. Sapere se un pianeta extrasolare ha una superficie è indubbiamente importante anche per l’astrobiologia. Una superficie liquida o solida è probabilmente necessaria per sostenere forme di vita complesse. Quindi, l’esistenza di una superficie sarebbe una cosa essenziale da cercare quando si valuta l’abitabilità di un esopianeta”.
La capacità di studiare direttamente gli esopianeti, combinata con la capacità di vincolare le loro condizioni superficiali, farà avanzare considerevolmente lo studio dell’astrobiologia. Il campo beneficerà anche di metodi innovativi che potrebbero consentire agli scienziati di cercare la vita (nota anche come biofirme) sulla base di diversi livelli di entropia in un ambiente o di diversi livelli di complessità con particelle organiche. A poco a poco, stiamo restringendo il focus e stringendo i vincoli! Link video:
