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UN NUOVO METODO PER OSSERVARNE LA FIRMA SPETTRALE CON IL JWST

A caccia di ossigeno sugli esopianeti

Alcuni ricercatori potrebbero aver trovato un modo in cui il James Webb Space Telescope della Nasa sarà in grado di identificare rapidamente i pianeti vicini in cui è presente ossigeno, che potrebbero quindi ospitare la vita, così come mondi inabitabili perché i loro oceani si sono vaporizzati. Tutti i dettagli su Nature Astronomy

Impressione artistica di esopianeti in cui è presente acqua (sopra) e asciutti (sotto) con atmosfere ricche di ossigeno. Sono rappresentati anche altri pianeti nel sistema e una sfera rossa che rappresenta la stella nana M attorno alla quale orbitano gli esopianeti. L’esopianeta secco è più vicino alla stella, quindi la stella appare più grande. Crediti: Nasa / Gsfc / Friedlander-Griswold

Rassegnati al fatto che non è possibile salire a bordo del Millennium Falcon per andare a cercare tracce di  vita su esopianeti, vicini e lontani, gli scienziati dovranno necessariamente accontentarsi di un telescopio all’avanguardia come il James Webb Space Telescope per vedere cosa c’è dentro le loro atmosfere, sperando di trovare, ad esempio, ossigeno.

Sulla Terra l’ossigeno viene generato dagli organismi viventi come piante, alghe e cianobatteri tramite la fotosintesi clorofilliana, per convertire la luce solare in energia chimica.

Ma cosa dovrebbe cercare il Webb per determinare se in un pianeta è presente abbastanza ossigeno? In un nuovo studio, pubblicato recentemente su Nature Astronomy, alcuni ricercatori hanno individuato un forte segnale prodotto da molecole di ossigeno quando si scontrano che, secondo loro, potrebbe essere rilevato dal Webb nelle atmosfere degli esopianeti e costituire una potenziale firma biologica.

«Prima del nostro lavoro, si pensava che l’ossigeno a livelli simili a quelli sulla Terra non fosse rilevabile con il Webb, ma invece abbiamo identificato un modo promettente per rilevarlo nei sistemi planetari vicini», dice Thomas Fauchez della University Research Space Association presso il Goddard Space Flight Center della Nasa, primo autore dello studio. «Questo segnale dell’ossigeno è noto fin dai primi anni ’80 dagli studi atmosferici della Terra, ma non è mai stato studiato per la ricerca sugli esopianeti».

I ricercatori hanno usato un modello computerizzato per simulare questa firma dell’ossigeno, modellando le condizioni atmosferiche di un esopianeta attorno a una stella nana M, il tipo più comune di stella nell’universo. Le stelle nane sono molto più piccole, più fredde e più deboli del nostro Sole, ma molto più attive, caratterizzate da un’attività esplosiva capace di generare un’intensa emissione di luce ultravioletta. Il team ha modellato l’impatto di questa radiazione ultravioletta sulla chimica dell’atmosfera e ha usato questo modello per simulare il modo in cui i colori (le lunghezze d’onda) che compongono la luce della stella cambiano quando un pianeta le passa davanti.

Mentre la luce delle stelle attraversa l’atmosfera dell’esopianeta, l’ossigeno assorbe determinati colori della luce: in questo caso, la luce infrarossa con una lunghezza d’onda di 6.4 micrometri. Quando le molecole di ossigeno si scontrano tra loro, o con altre molecole presenti nell’atmosfera dell’esopianeta, l’energia della collisione pone la molecola di ossigeno in uno stato speciale che le consente temporaneamente di assorbire la luce infrarossa. La luce infrarossa è invisibile all’occhio umano, ma rilevabile mediante strumenti collocati nei fuochi dei telescopi, come ad esempio quelli presenti sul James Webb Telescope.

«Simili segnali dell’ossigeno esistono a 1.06 e 1.27 micrometri e sono stati discussi in precedenti studi, ma sono meno forti e molto più mitigati dalla presenza di nubi rispetto al segnale a 6.4 micrometri», spiega Geronimo Villanueva, coautore dell’articolo.

Tuttavia, l’ossigeno potrebbe far sembrare che un esopianeta ospiti la vita quando invece non accade, perché di fatto potrebbe accumularsi nell’atmosfera di un pianeta senza alcuna attività vitale. Ad esempio, se l’esopianeta è troppo vicino alla sua stella ospite o riceve troppa luce dalla stella, l’atmosfera diventa molto calda e satura di vapore acqueo proveniente dagli oceani in evaporazione. Quest’acqua potrebbe essere successivamente scomposta, dalla forte radiazione ultravioletta, in idrogeno atomico e ossigeno. L’idrogeno, che è molto leggero, si disperde nello spazio molto facilmente, lasciando indietro l’ossigeno. Nel tempo, questo processo potrebbe causare la perdita di interi oceani, e la formazione di una densa atmosfera di ossigeno. Quindi, un’atmosfera esoplanetaria in cui abbonda ossigeno non comporta necessariamente la presenza di vita, ma può invece indicare il fatto che in passato era presente tanta d’acqua.

James Webb Space Telescope della Nasa, durante un test del dispiegamento dello scudo solare. Crediti: Nasa

«A seconda della facilità con cui il Webb rileverà questo segnale a 6.4 micrometri, potremo avere un’idea della probabilità che il pianeta sia abitabile», dice Ravi Kopparapu, coautore dell’articolo. «Se il Webb rilevasse questo segnale a 6.4 micrometri con relativa facilità, significherebbe che il pianeta ha un’atmosfera molto densa di ossigeno e potrebbe essere abitabile».

Il segnale dell’ossigeno è così forte che può anche dire agli astronomi se i pianeti nani hanno delle atmosfere, usando solo alcune osservazioni del Webb di transiti. «Questo è importante perché le stelle nane M sono molto attive ed è stato ipotizzato che l’attività stellare possa spazzare via intere atmosfere planetarie», ricorda Fauchez. «Sapere se un pianeta in orbita attorno a una nana M potrebbe avere un’atmosfera è importante per comprendere le interazioni stella-pianeta attorno a queste stelle, numerose e attive».

Sebbene il segnale dell’ossigeno sia forte, le distanze cosmiche sono vaste e le nane M sono deboli, quindi queste stelle dovranno essere relativamente vicine affinché il Webb possa rilevare il segnale nelle atmosfere esoplanetarie entro un ragionevole lasso di tempo. Un esopianeta con una atmosfera simile alla Terra dovrebbe orbitare attorno a una nana M che si trova a circa 16 anni luce dalla Terra affinché questo segnale riesca a essere rilevato. Per un esopianeta arido con un’atmosfera in cui è presente ossigeno, caratterizzato da una pressione 22 volte superiore a quella della Terra, il segnale potrebbe essere rilevato fino a circa 82 anni luce di distanza. Per capire cosa significhino queste distanze, in relazione alla nostra posizione, si pensi che le stelle più vicine al nostro Sole si trovano nel sistema Alpha Centauri, a poco più di 4 anni luce di distanza, e la nostra galassia ha un diametro di circa 100mila anni luce.

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Maura Sandri: Tecnologa e giornalista dell'Osservatorio di astrofisica e scienza dello spazio di Bologna. Si occupa della progettazione e caratterizzazione di ottiche per satelliti dedicati allo studio del fondo cosmico a microonde e di radiotelescopi, nonché di didattica e divulgazione. Fa parte della redazione di Media Inaf.
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