LO STUDIO SU MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY

Atmosfere di pianeti terrestri e abitabilità

Analizzando circa seimila atmosfere sintetiche per pianeti di tipo terrestre, un team guidato da Antonino Petralia dell’Inaf di Palermo ha trovato che circa la metà dei pianeti simulati potrebbero ospitare la vita, poiché avrebbero acqua liquida sulla loro superficie.

     21/07/2020
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La figura mostra la distribuzione del rapporto tra temperatura superficiale e temperatura di equilibrio dell’atmosfera (calcolata approssimando il pianeta ad un corpo nero in equilibrio con il flusso di radiazione stellare incidente) in funzione della temperatura superficiale. I modelli sono divisi in funzione dell’intensità della radiazione stellare incidente. Sono inoltre evidenziate le regioni del diagramma popolate da pianeti che ospitano in superficie acqua in condizioni diverse, e si vede come in un gran numero di modelli è prevista acqua allo stato liquido. Fonte: A. Petralia et al., Mnras, 2020

I pianeti di tipo terrestre sono comuni, nella Via Lattea. Si stima, infatti, che il 30 per cento delle stelle nell’intorno solare ospiti almeno un pianeta di tipo terrestre, e che attorno alle stelle di classe spettrale M (ossia con temperatura efficace compresa tra 2400 e 3700 gradi) la presenza di pianeti terrestri nella fascia di abitabilità sia pari a circa il 40 per cento. La fascia di abitabilità di un sistema planetario è definita come l’intervallo di distanze dalla stella centrale entro cui un pianeta di tipo terreste ha una temperatura superficiale tale da poter sostenere acqua allo stato liquido.

Restringere la condizione di abitabilità di un pianeta terrestre solo alla sua distanza dalla propria stella può sembrare riduttivo. Infatti, la possibilità di avere acqua liquida in superficie dipende fortemente, oltre che dalla temperatura sulla superficie del pianeta, anche da altri parametri: ad esempio, condizioni e proprietà dell’atmosfera come pressione e presenza di nubi, che possono indurre effetto serra. Un’appropriata definizione di abitabilità, quindi, richiede uno studio teorico dettagliato delle possibili condizioni delle atmosfere planetarie. Si tratta, però, di un problema complesso, dove diverse variabili e processi giocano un ruolo importante: l’energia depositata dalla radiazione stellare, la composizione chimica dell’atmosfera, la presenza di nubi, l’umidità, il trasporto d’energia tramite moti convettivi, i processi geologici e biologici in superficie… Il problema può essere però semplificato approssimando l’atmosfera a un sistema a simmetria piano-parallela. In questo caso, l’unica variabile importante è l’altitudine, e il problema diventa sostanzialmente unidimensionale. In questi modelli si considerano quindi “colonne verticali d’atmosfera” dall’estensione infinita, ricercando in esse le condizioni di equilibrio termico dettate dal trasporto di energia tramite moti convettivi dell’aria e il trasferimento radiativo, includendo in esso la radiazione stellare, la radiazione termica dell’atmosfera, e la radiazione diffusa (modelli R-C, radiativi-convettivi).

Antonino Petralia, ricercatore all’Inaf-Osservatorio astronomico di Palermo e primo autore dello studio pubblicato su Mnras

La semplificazione del problema permette di realizzare un numero elevato di simulazioni, esplorando lo spazio dei parametri dei modelli in maniera estensiva. Questo è l’approccio adottato dal team di ricercatori guidato dall’astrofisico Antonino Petralia dell’Inaf di Palermo per studiare le atmosfere dei pianeti terrestri, connettere le loro proprietà all’ambiente circostante e studiare le condizioni di abitabilità del pianeta. I ricercatori hanno prodotto e analizzato 6250 simulazioni di atmosfere di CO2, variando diversi parametri fondamentali come il flusso di energia irradiato dalla stella (considerando stelle di sequenza principale con classe spettrale F-G-K-M, ossia con temperature che variano da 2400 a 7500 gradi) e la concentrazione di CO2, utilizzando l’approccio dei modelli R-C (radiativi-convettivi). Come dimostrato dal loro studio, pubblicato questo mese su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, diverse proprietà fisiche delle atmosfere planetarie simulate, soprattutto il livello di diluizione della CO2, dipendono criticamente da questi due parametri. L’esplorazione di un set così ampio di modelli ha permesso al team di ricercatori anche di definire meglio le condizioni di abitabilità dei pianeti, verificando che in più della metà dei pianeti simulati la temperatura in superficie è tale da permettere l’esistenza di acqua allo stato liquido.

«Il problema che abbiamo affrontato», spiega a Media Inaf Petralia, «è stabilire l’influenza delle caratteristiche della stella e del pianeta nel definire le proprietà dell’atmosfera esoplanetaria. A tal fine abbiamo costruito un modello unidimensionale piano parallelo di atmosfera, in cui consideriamo i principali effetti fisici quali il trasporto radiativo (interazione tra radiazione e materia) e una correzione dovuta a eventuali moti convettivi. Uno dei principali risultati di questo lavoro riguarda lo studio dell’abitabilità delle circa seimila atmosfere sintetiche. Troviamo che circa la metà di questi pianeti potrebbero ospitare la vita, poiché avrebbe acqua liquida sulla loro superficie. Infine, le atmosfere sintetiche del nostro modello possono essere usate come input a modelli di atmosfere 3D che andrebbero a caratterizzare nel dettaglio pianeti specifici».

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