GRAZIE TERRA! Il “pianeta abitabile” perfetto – parte 2

Acqua liquida in superficie, Zone Abitabili e pianeti “Goldilocks”

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Acqua liquida in superficie

È la condizione fondamentale per favorire la nascita ed il mantenimento di forme di vita extraterrestri, ma chiaramente ci si riferisce alle condizioni favorevoli per la “vita” per come noi la conosciamo sulla Terra, dove l’acqua liquida è essenziale per tutte le forme di vita conosciute.

L’acqua allo stato liquido, così abbondante sul nostro pianeta, necessita per esistere di un equilibrio delicatissimo:

  • un pianeta solido
  • di massa relativamente piccola
  • con una atmosfera particolare
  • posto ad una distanza dalle sorgenti di energia tale da permettergli di non diventare in poco tempo né un mondo arroventato come Mercurio o Venere né ghiacciato come Plutone

Bene, ma nello spazio? Come funziona?

Innanzitutto, i primi 3 stati della materia (trascuriamo qui il 4°, il plasma):
La materia è costituita da atomi. Lo stato fisico della materia dipende da come sono disposte le particelle nello spazio, dalle forze coinvolte e dalla mobilità delle particelle.

  • Solido
    le strutture dei solidi possono essere descritte in modo semplice perché le particelle (atomi, ioni o molecole) sono vicine fra loro e si trovano in una disposizione ordinata.
    – Le forze coesive sono alte
    – La mobilità molto bassa
  • Gas
    le molecole di un gas in condizioni normali sono lontane e possono essere considerate indipendenti l’una dall’altra
    – Le forze coesive assenti
    – La mobilità altissima
  • Liquido
    dei 3 stati della materia è il più difficile da descrivere. Nei liquidi, infatti, le particelle interagiscono fra loro come in un solido, ma senza un particolare ordine nella disposizione spaziale
    – Le forze coesive sono deboli
    – La mobilità alta
da sinistra: solido, liquido, gassoso

Ora la sintesi, seguite che non è complicato:

la molecola d’acqua, come è noto, è formata da 2 atomi di Idrogeno-H e 1 di Ossigeno-O, ma questi due elementi hanno provenienza diversa.


L’Idrogeno H è l’elemento più diffuso nel Cosmo e viene dal Big Bang all’alba dei tempi.
L’Ossigeno O, invece, assieme a tanti altri elementi, è stato sintetizzato nelle stelle (nucleosintesi) e poi “sparato” nel Cosmo attraverso la loro morte come Supernovae.
Tutti gli elementi quindi prodotti continuano ad essere disponibili e riciclati nelle nebulose e nei gas interstellari, per la nascita di nuove stelle in un ciclo continuo.

Essendo i due elementi H e O ben attivi chimicamente, le condizioni perché si possano legare insieme e formare la molecola di Acqua si verificano abbastanza frequentemente.
L’acqua è quindi diffusissima in tutto il Cosmo. E’ ovunque!

…acqua sulle comete, acqua nella polvere cosmica, acqua sugli asteroidi, acqua persino sulla Luna…fino alle più distanti e fredde nubi interstellari della nostra Galassia…


ATTENZIONE però, concetto fondamentale

L’acqua “nello spazio” esiste soltanto in forma solida (ghiaccio) o gassosa (vapore acqueo), MAI LIQUIDA!
Essa “nel vuoto” non può esistere allo stato liquido.

La maggior parte dell’acqua nello spazio è presente sotto forma di vapore o di ghiaccio nei grani di polvere interstellare.
Questo perché le condizioni di pressione e temperatura non lo consentono, la densità estremamente bassa dello spazio interstellare (estrema “rarefazione” già vista in altri post e nell’etichetta corrispondente) previene la formazione di acqua allo stato liquido.

Rigenerazione dell’acqua sugli asteroidi

Un accenno brevissimo merita anche il complesso processo di rigenerazione delle molecole d’acqua superficiale che avviene sui meteòridi.
Per produrre molecole d’acqua sulla superficie degli asteroidi sono necessari due componenti: elettroni e shock termico.
Sulla superficie degli asteroidi, l’azione combinata del vento solare e dei micro-meteorìti, in condizioni di temperature molto basse, può portare alla formazione di molecole d’acqua (acqua quindi allo stato gassoso).

Gli impatti dei meteòridi sono in grado di avviare la reazione, poi i venti solari colpiscono la superficie, facendo si che l’ossigeno libero e gli atomi di idrogeno si leghino, creando acqua (vapor acqueo).
Ricerca dell’australiana Katarina Miljkovic dello Space Science and Technology Centre della Curtin University, riportata da Maura Sandri dell’Inaf.

“Sublimazione”

L’immagine qui sotto serve solo per mostrare il processo della “sublimazione”, cioè il passaggio diretto da solido a gas.
Quello è un secchio di “ghiaccio secco”cioè anidride carbonica CO2 allo stato solido a -78° C, che sublima a contatto con l’aria a temperatura ambiente, usato per raffreddare gli alimenti ma anche per effetti speciali tipo nebbia.

Nel vuoto, se si lascia invece un pezzo di ghiaccio d’acqua (acqua allo stato solido) esposto approssimativamente nell’orbita terrestre, esso non si scioglierà bensì inizierà a sublimare fino a svanire!

È importante capire che esistono molti tipi di “ghiacci” a seconda dei gas che si sono solidificati, quindi non solo anidride carbonica ed acqua.

Le comete sono un caso ben noto in cui avviene la sublimazione dei ghiacci, mano a mano che si avvicinano al Sole: esse hanno un nucleo composto di ghiacci volatili (e l’acqua può costituire l’80% della massa!), più polvere più frammenti rocciosi. Nella chioma sublimano gas come ad esempio ossido di Carbonio e anidride carbonica.

sublimazione della Cometa Rosetta

Linea della neve” – Snow line, Frost line

È quella zona più distante dalla stella ospite, in cui l’acqua è rimasta allo stato solido durante la formazione planetaria, quindi non è sublimata.
Trovandosi infatti ad una certa distanza da una giovane stella, acqua ed altre sostanze rimangono congelate, portando ad una abbondanza di oggetti ghiacciati che possono scontrarsi e formare i nuclei di nuovi pianeti.
Questa condizione, aumentando così il materiale a disposizione, dovrebbe aver reso più efficiente il meccanismo di formazione di pianeti extrasolari simili a Nettuno. Nel Sistema Solare si ritiene che la linea della neve si trovi a 3,5 – 4 Unità Astronomiche, dove si trova la fascia principale degli asteroidi tra Marte e Giove.

Credit: NASA, ESA, and Z. Levy (STScI)

Quindi la “linea della neve” è la distanza dal Sole dove il ghiaccio inizia a sublimare, mentre al di là di quella linea si trova ghiaccio ancora integro e corpi ghiacciati che si scontrano.
L’acqua nel nostro Sistema Solare è presente soprattutto nella forma di ghiaccio in superficie, mista ad altri ghiacci di altri elementi o molecole, mentre sotto la crosta superficiale di molte lune, ad esempio, è tutto un altro discorso, sempre più dati confermano che possa esistere in abbondanza in forma liquida.

Quindi, quando sentite parlare di “Acqua in superficie su di un corpo celeste”, ricordatevi di intenderla come ghiaccio oppure vapore cioè gas.

Nei pianeti dove è stato riscontrato ghiaccio (prendete ad esempio la calotta polare di Marte oppure la foto qui sopra con un ghiacciaio all’interno del pianeta rosso), può anche significare che se è presente ghiaccio sulla superficie, è possibile che appena sotto la superficie (quindi non a contatto diretto col vuoto) si nasconda acqua allo stato liquido.

La “Zona Galattica Abitabile” o GHZ

Per gli amici stranieri, nell’immagine soprastante:
– la scritta verde recita “Sì (è anche la zona del Sole)”,
– la rossa “No. Anche per le poche stelle di popolazione I, alta densità di stelle e incontri ravvicinati destabilizzano le orbite planetarie. Frequenti esplosioni di Supernovae”
– la scritta gialla “Difficile, materia rarefatta, scarsità di elementi pesanti”

La “Galactic Habitable Zone” stabilisce la posizione di un sistema planetario all’interno di una galassia perché possa sviluppare forme di vita.
I sistemi stellari favorevoli alla vita devono trovarsi abbastanza “vicino” al centro galattico, dove si concentrano alti livelli di elementi pesanti, grazie ai quali possono originarsi pianeti rocciosi ma soprattutto la formazione di numerose molecole organiche.

Tavola Periodica degli Elementi: dopo Idrogeno H ed Elio He, gli elementi si fanno via via più pesanti
per ingrandire clicca qui

Quando si usa, come in questo caso, il termine “vicino”, è meglio chiarire che si parla di distanze cosmiche, inconcepibili per noi.

Nella nostra galassia (post “la Via Lattea”), la zona galattica abitabile è, al momento, considerata estendersi ad una distanza di circa 25.000 Anni Luce (8 kiloparsec, post “distanze”) dal centro galattico, contenente stelle con un’età compresa tra i 4 e gli 8 miliardi di anni.

Altre galassie, di composizione differente, possono avere una zona galattica abitabile più vasta o più ristretta, o non averla del tutto.

Ora vediamo quale potrebbe essere la posizione ottimale di questo pianeta all’interno del suo sistema solare.

La Zona Abitabile Circumstellare –
Circumstellar Habitable Zone – CHZ

“Circumstellar Habitable Zone” è il termine scientifico per indicare la regione intorno ad una stella ove è teoricamente possibile per un pianeta “mantenere acqua liquida sulla sua superficie”, così da favorire la nascita ed il mantenimento di forme di vita extraterrestri.

Le distanze e dimensioni qui sopra non sono ovviamente in scala, per evidenziare la posizione di ogni pianeta rispetto alla CHZ.

Chiaramente ci si riferisce alle “condizioni favorevoli per la vita per come noi la conosciamo sulla Terra, dove l’acqua liquida è essenziale per tutte le forme di vita conosciute”; quindi i pianeti in grado di avere acqua liquida in superficie sono considerati tra i più favorevoli per ospitare vita extraterrestre.

Questa teoria per molti scienziati appare però lacunosa e discutibile perché, a detta loro, forme di vita extraterrestri potrebbero essersi sviluppate in presenza di altri componenti liquidi diversi dall’acqua, come l’ammoniaca o il metano.

A questo proposito considerate che in questi ultimi anni è stato scoperto che negli abissi oceanici, a km di profondità, dove si trovano fumarole che immettono costantemente un ambiente assolutamente tossico per noi umani e dove non arriva la luce, in questo ambiente che secondo le teorie degli scienziati è del tutto inospitale per qualsiasi forma di vita come noi la conosciamo, tuttavia vivono intere colonie sia di vegetali sia di animali, con pressioni incredibili, temperature proibitive ed un acqua profondamente tossica; questo fa dedurre che forse il criterio che solo con l’acqua liquida ci può essere vita, e solo con la luce di una stella, questo criterio non sia assoluto.


“Fumarole nere” (“Black smoker”) e la Chemiosintesi batterica

Su Lune o Pianeti dove si suppone possano esistere oceano interni sotto la superficie, potrebbe esistere vita micro-organica, un po’ come vita organica esiste sulla Terra in luoghi insospettati e assolutamente inospitali per l’uomo; nelle profondità dell’oceano Atlantico, a circa 2.100 metri, nei pressi delle sorgenti idrotermali chiamate fumarole nere (“Black smoker”, immagine qui sotto), alimentate da energia geotermica. Qui sono state scoperte negli anni ’70 intere colonie di vermi-tubo giganti, vongole, crostacei, mitili e diverse altre creature.

Queste creature prosperano nonostante la mancanza di luce solare e costituiscono una catena alimentare del tutto indipendente, la cui base è un batterio che ricava energia dall’ossidazione di sostanze chimiche reattive, come l’idrogeno e l’acido solfidrico, che provengono dall’interno della Terra e vengono espulse dalle profondità alla incredibile temperatura di circa 400 gradi, ma l’acqua non bolle a causa della temperatura dell’oceano a quelle profondità e dell’enorme pressione.

Questo processo è chiamato “chemiosintesi batterica” e ha rivoluzionato lo studio della biologia. L’esistenza della vita richiede solamente acqua ed energia, e non dipende necessariamente dal Sole.
Ha aperto inoltre numerose strade all’astrobiologia espandendo notevolmente il numero di possibili habitat extraterrestri.

Spirografi sottomarini con pesce blennius e granchi.
Con 2 km e mezzo di Oceano Atlantico sulla testa, granchi e pesci blennius, pallidi come fantasmi, vanno alla ricerca di cibo in mezzo a vermi tubicoli rosso-sangue, che necessitano di ossigeno per vivere.


Torniamo alla CHZ.
La Zona Circumstellare Abitabile o “Ecosfera” è una sfera immaginaria che circonda una stella: nello spazio delimitato da questa sfera, qualunque pianeta terrestre potrebbe essere in grado di mantenere la presenza di acqua liquida.

La distanza ottimale di un pianeta dalla propria stella, per far sì che esso possa sostenere forme di vita, può essere calcolata conoscendo la dimensione e la luminosità della stella stessa.
Allo stesso modo,
la distanza della zona abitabile dipende dalla dimensione e dalla temperatura della stessa stella, come si può chiaramente vedere nelle 2 immagini seguenti.

Qui la CHZ-Ecosfera è paragonata in base al tipo di temperatura, dalla stella più calda azzurra in alto, a quella più fredda rossa in basso, con in mezzo una stella simile al nostro Sole.

Image converted using ifftoany

Qui sotto invece abbiamo un paragone della distanza della CHZ-Ecosfera in base alla dimensione dell’astro. Più la stella è grande, più la zona abitabile si allontana.

Zona Abitabile del Sistema Solare
ampiezza

Le stime più recenti della zona abitabile del Sistema Solare, basate su diversi modelli scientifici, ampliano la fascia di Kasting (così chiamata una delle stime più famose, che veniva collocata da 0,95 a 1,37 UA dal Sole) ponendo questa zona tra 0,73 e 3,0 UA (post “distanze”) con la Terra situata vicino al suo bordo interno.

E’ difficile stabilire esattamente dove si colloca la zona abitabile di un sistema stellare, a causa di una serie di fattori. Per capire di che si tratta, nel caso del Sistema Solare si valutano queste 4 situazioni:

  • l’afelio del pianeta Venere (cos’è l’afelio di un pianeta? Siccome l’orbita del pianeta attorno al Sole è ellittica, il punto dove il pianeta è più lontano dal Sole è detto afelio, quello dove è più vicino perielio)
  • l’orbita della Luna
  • il pianeta Marte
  • il pianeta nano Cerere

Pressioni atmosferiche

Non basta trovarsi all’interno della zona abitabile per essere automaticamente potenzialmente abitabili: infatti ciò che determina la potenziale abitabilità in questo caso sono le diverse pressioni atmosferiche di questi pianeti.

  • nel caso di Venere, la pressione atmosferica è troppo elevata, e un effetto serra estremamente alto determina un grande innalzamento della temperatura superficiale
  • nel caso di Marte invece, la pressione atmosferica è troppo bassa, di conseguenza l’atmosfera e l’acqua si sono in gran parte disperse nello spazio
  • la Luna e Cerere non hanno atmosfera, quindi l’acqua liquida non può esistere su questi corpi celesti

La maggior parte delle stime sono calcolate prendendo come riferimento la Terra, la sua massa e la sua costituzione atmosferica, ma un pianeta con un’atmosfera più densa di quella della Terra (perché più massiccio), come ad esempio Gliese 667 Cd o Gliese 581 d, in orbita nella zona abitabile estesa, potrebbe teoricamente avere acqua allo stato liquido in superficie.

Ora invece vediamo quale potrebbe essere la posizione ottimale di questo sistema stellare all’interno della propria galassia.

“Goldilocks planet”“Pianeta Riccioli d’oro”

Un pianeta “Goldilocks”, talvolta tradotto in italiano “Pianeta Riccioli d’oro”, è un pianeta situato nella zona abitabile di una stella o di un sistema stellare (CHZ), con caratteristiche tali da lasciar supporre l’esistenza di acqua liquida sulla sua superficie.

Il nome deriva dalla fiaba per bambini “Riccioli d’oro e i tre orsi”, dove una bambina sceglie sempre da gruppi di 3 elementi la via di mezzo, quella “giusta”, ignorando gli estremi – grande o piccolo, caldo o freddo, etc – (lasciamo poi perdere il dettaglio che questa bimba fosse parecchio dispettosa…)

Allo stesso modo della fiaba, un “Goldilocks” planet è un pianeta che non è né troppo vicino né troppo lontano da una stella per escludere la presenza di acqua liquida sulla sua superficie, elemento fondamentale per la presenza di vita così come gli esseri umani la concepiscono.

Come dire in sostanza che è nella fascia corretta perché si possa presumere che possa avere acqua limpida sulla sua superficie.

Il termine viene spesso utilizzato in particolar modo per i pianeti con dimensioni simili a quelle della Terra, tuttavia, anche i giganti gassosi, non adatti alla vita, possono essere chiamati pianeti Goldilocks, anche perché potrebbero essere dotati di esolune di dimensioni terrestri, adatte ad ospitare la vita.

Il miglior esempio di “Goldilocks” planet è la Terra stessa

Si parla invece di “abitabilità planetaria” quando i pianeti interessati hanno certe similitudini con la Terra e sono pianeti rocciosi (post “3/4 alta atmosfera” parte finale).

Sono state scoperte decine di pianeti nella zona abitabile, anche se la maggior parte di essi sembrano significativamente più grandi della Terra; probabilmente ciò è dovuto al fatto che date le grandi distanze coinvolte, è più facile rilevare pianeti di maggiori dimensioni.

Si stima che nella Via Lattea esistano almeno 500 milioni di pianeti all’interno della zona abitabile.

Spero che abbiate gradito il nostro piccolo viaggio, ci vediamo al prossimo post.

Per vedere la prima parte, clicca su GRAZIE TERRA! Parte 1

Link utili:
Ecosfera
Acqua nell’Universo
Sistema Solare, pianeti, asteroidi di Istituto Nazionale Studi Astronomici – INSA
Stato solido e liquido
Rigenerazione acqua sugli asteroidi, di Maura Sandri

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