I CONTI IN UN ISTANTE CON IL MODELLO ANALITICO

Atmosfere planetarie? Te le calcolo a mano

Conoscere le abbondanze delle molecole presenti nelle atmosfere planetarie permette di risalire ai processi fisici, geologici o biologici in corso nel pianeta. Ora all’Università di Berna hanno sviluppato una nuova formula, una singola equazione polinomiale, in grado di ridurre drasticamente i tempi di calcolo: da svariati minuti a millesimi di secondo

Rappresentazione artistica di un pianeta extrasolare di tipo terrestre dotato di atmosfera. Crediti: ESO

Rappresentazione artistica di un pianeta extrasolare di tipo terrestre dotato di atmosfera. Crediti: ESO

Di solito utilizziamo i computer per effettuare calcoli complessi in tempi ridotti, ma a Kevin Heng e Shang-Min Tsai, astrofisici dell’Università di Berna, sono sufficienti carta e penna. Grazie alla loro nuova formula, infatti, è possibile calcolare le abbondanze delle molecole presenti nelle atmosfere di pianeti extrasolari in tempi migliaia di volte inferiori a quanto occorrerebbe con i calcolatori più potenti.

Gli astronomi sono oggi in grado di rilevare un gran numero di pianeti al di fuori del Sistema solare, e in alcuni casi anche di caratterizzare le atmosfere di questi nuovi mondi. I teorici hanno sviluppato modelli in grado di prevedere cosa ci si può aspettare di trovare in queste atmosfere, e Kevin Heng, direttore del Center for Space and Habitability dell’Università di Berna, è un esperto in questo tipo di calcoli.

«Le stelle possiedono una percentuale ben definita di elementi chimici come l’idrogeno, il carbonio, l’ossigeno o l’azoto», spiega Heng. «E ci sono un sacco di prove a indicare che i pianeti si formano a partire dallo stesso materiale che dà origine alle stelle». Ma mentre nelle stelle gli elementi continuano a esistere come atomi, alle temperature più basse delle atmosfere planetarie possono formare molecole differenti, che variano a seconda di temperatura e pressione.

A basse temperature, ad esempio, il composto del carbonio più comune è il metano, mentre ad alte temperature è il monossido di carbonio. La gamma delle reazioni chimiche possibili è ben nota, ma molto vasta, dunque i calcoli sono in genere complessi e richiedono molto tempo. «Ho trovato un modo per svolgere questi calcoli molto più velocemente, risolvendo il 99% del problema su carta, prima di toccare un computer», dice Heng. «Normalmente occorre risolvere quello che noi chiamiamo in sistema di equazioni accoppiate non lineari. Sono riuscito a ridurre il problema alla soluzione di una singola equazione polinomiale». La soluzione di questa singola equazione richiede una frazione molto più piccola del tempo di calcolo al computer.

Abbondanze di diversi tipi di molecole presenti in un’atmosfera planetaria. Le linee colorate sono ottenute da modelli teorici ad alto consumo di tempo di calcolo (Heng & Lyons (2016)), mentre i punti sono calcolati con il nuovo metodo analitico. Crediti: Heng & Tsai, 2016, ApJ

Abbondanze di diversi tipi di molecole presenti in un’atmosfera planetaria. Le linee colorate sono ottenute da modelli teorici ad alto consumo di tempo di calcolo (Heng & Lyons (2016)), mentre i punti sono calcolati con il nuovo metodo analitico. Crediti: Heng & Tsai, 2016, ApJ

«Mi ci sono voluti un paio di mesi per capire come era possibile procedere», continua Heng. «Questa scoperta riduce sostanzialmente il programma a una riga di codice, e ci permette di calcolare la chimica di un pianeta extrasolare in 10 millisecondi anziché in una manciata di minuti». Nell’articolo sono mostrate varie figure in cui appaiono le abbondanze di molecole come metano, monossido di carbonio e acqua calcolate con metodi computazionali e con il nuovo metodo su carta. «È quasi impossibile trovare le differenze tra i miei calcoli e quelli ottenuti attraverso complessi codici».

Il nuovo metodo analitico porta con sé numerose implicazioni. L’enorme accelerazione di calcolo permette un’analisi più approfondita nello studio degli spettri delle atmosfere esoplanetarie. Hang sottolinea anche un aspetto di maggior praticità: «Ora qualunque astronomo nel mondo può calcolare la fisica atmosferica degli esopianeti con grande semplicità, perché non c’è più bisogno di passare attraverso sofisticati codici di calcolo. Sono elettrizzato all’idea che questa conoscenza sia immediatamente trasferibile a qualsiasi altro scienziato nel mondo».

L’osservazione delle atmosfere esoplanetarie offre agli scienziati la possibilità di scoprire come questi oggetti si siano formati e che tipo di processi siano attualmente in corso sulla loro superficie. La chimica atmosferica gli dice cosa sia giusto aspettarsi e dunque anche quando essere sorpresi dai risultati. Registrare differenze tra le abbondanze attese e quelle osservate può svelare processi di tipo geologico o biologico. «Forse tra 20 o 30 anni guardando un’atmosfera planetaria con acqua, ossigeno, ozono e altre molecole potremo chiederci se stiamo vedendo segni di vita, ma prima di tutto dovremo capire se i dati possono essere spiegati dalla fisica o dalla geologia», conclude Heng.

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