C’È CHI DICE NO

È tutta fosfina quella che luccica?

La scoperta della fosfina nell’atmosfera di Venere non ha suscitato solo grande entusiasmo ma anche, soprattutto fra gli astrobiologi, alcune perplessità. Sia sul fatto che indichi potenziale presenza di vita, sia sullo stesso segnale rilevato, che potrebbe essere un falso positivo. Fra gli scettici c’è lo scienziato che firma oggi questo editoriale su Media Inaf, Víctor Manuel Rivilla Rodríguez, del Centro de Astrobiología de Madrid (Inta-Csic), associato all’Inaf di Arcetri

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Dipinto di Joseph Wright che raffigura l’alchimista Hennig Brand all’epoca in cui, cercando di ottenere la Pietra filosofale, scoprì il fosforo (Derby Museum and Art Gallery, Regno Unito). Fonte: Wikimedia Commons

Il 14 settembre, un gruppo di astrofisici ha annunciato il (possibile) rilevamento della fosfina nell’atmosfera di Venere. Questa piccola molecola, composta da un atomo di fosforo e tre atomi di idrogeno (PH3), ha suscitato grande scalpore mediatico, perché gli autori hanno affermato che la sua presenza su Venere potrebbe indicare l’esistenza della vita. Da un giorno all’altro, la chimica del fosforo al di fuori del nostro pianeta è diventata un trending topic globale. Personalmente, come astrofisico che ha dedicato buona parte degli ultimi anni alla rilevazione di molecole di fosforo nello spazio, ho accolto la notizia con grande curiosità… e anche qualche perplessità. Ma prima di parlare in dettaglio della fosfina venusiana, spieghiamo perché il fosforo è così interessante.

La parola fosforo deriva dal greco, φῶς – φορός (fos-foros), e significa “portatore di luce”. Oggi la usiamo per riferirci all’elemento chimico che l’alchimista tedesco Hennig Brand “scoprì” nel 1669 mentre cercava di sintetizzare la Pietra filosofale nel suo laboratorio. Pensiamo che quello che aveva in mente fosse produrre oro, che gli avrebbe pagato enormi profitti, ma ciò che ottenne distillando l’urina era un materiale biancastro che brillava al buio. A causa di questa proprietà “scintillante”, la nuova sostanza fu battezzata come ‘fosforo’.

Nonostante ci siano voluti secoli a noi umani per renderci conto della sua presenza, il fosforo ha fatto parte del nostro pianeta dal preciso momento della sua formazione. E dobbiamo esserne molto grati, perché senza il fosforo la vita non potrebbe esistere. Questo elemento chimico è un pezzo fondamentale dell’acido desossiribonucleico (Dna), che contiene la nostra informazione genetica, dell’adenosina trifosfato (Atp), responsabile del trasferimento di energia nelle nostre cellule, e dei fosfolipidi, che costruiscono le membrane cellulari. Senza saperlo, Hennig Brand trovò un vero tesoro che, per la biologia, è molto più prezioso dell’oro.

È interessante notare che, nonostante la sua importanza per la vita, il fosforo non è molto abbondante nell’universo. C’è un atomo di fosforo per ogni 10 milioni di atomi di idrogeno. La ragione di questa carenza è che ci sono poche “fabbriche” di fosforo nella nostra galassia. Sappiamo che si genera all’interno di stelle molto massicce (con masse più di 20 volte la massa del Sole), che sono poco numerose. Queste stelle finiscono la loro vita con violente esplosioni di supernova, espellendo il fosforo nel mezzo interstellare. Una volta lì, il fosforo diventa parte di nuvole fredde di gas e polvere che, sotto le giuste condizioni fisiche, formeranno nuove stelle e sistemi planetari al loro interno.

A essere onesti, siamo ancora lontani dall’avere una buona comprensione della chimica del fosforo nelle regioni in cui si formano nuove stelle e pianeti, e di come il fosforo necessario per dare origine alla vita abbia raggiunto il nostro pianeta. Ma negli ultimi anni abbiamo potuto iniziare a dare alcune risposte. Recentemente, grazie alla combinazione delle osservazioni dell’osservatorio Alma (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) e delle misurazioni della missione spaziale Rosetta dell’Agenzia spaziale europea, abbiamo riscontrato somiglianze tra il contenuto di fosforo nelle regioni di formazione stellare e nella cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Questo ci porta a pensare che il fosforo della cometa, che è principalmente sotto forma di monossido di fosforo (PO), potrebbe essere stato ereditato direttamente dalla nube di gas e polvere che ha formato il nostro sistema planetario. Se altre comete formate durante la nascita del Sistema solare, come 67P, avessero una composizione chimica simile, è del tutto possibile che il PO delle comete sia stato trasportato sulla nostra giovane Terra da un’intensa “pioggia” cometaria. Una volta sulla superficie del nostro pianeta, insieme ad altri composti chimici rilevanti, il PO “extraterrestre” potrebbe aver giocato un ruolo chiave nella chimica che creato le prime forme di vita.

Non c’è dubbio sul fatto che il fosforo sia un ingrediente essenziale per la vita. Come disse il premio Nobel per la chimica Sir Alexander Todd a una conferenza a Kyoto nel 1982, “dove c’è vita, c’è fosforo”. Ma questo significa che dove c’è il fosforo c’è la vita? Questa stimolante domanda ci porta alla possibile rilevazione di fosfina (PH3) su Venere recentemente pubblicata su Nature Astronomy. Il nostro pianeta vicino ci ha affascinato dagli inizi dei tempi. Non invano fu battezzato in onore della dea dell’amore e della bellezza nella mitologia romana. In più di un’occasione ci sono state speculazioni sulla possibile esistenza della vita su Venere. In un importante articolo del 1967, Harold Morowitz e Carl Sagan hanno ipotizzato la presenza della vita nelle nuvole venusiane. Pertanto, la recente notizia della possibile rilevazione della fosfina nell’atmosfera di Venere ha innescato ogni tipo di speculazione.

Il termine ‘Lucifer’, traduzione latina del termine greco ‘Fosforos’ (portatore di luce), era originariamente associato all‘oggetto celeste che risplende più luminoso all’alba, la cui rappresentazione è mostrata nell’incisione a sinistra (“La stella del mattino”, di GH Frezza, 1704), e che oggi sappiamo che è il pianeta Venere. Successivamente, l‘interpretazione di due passaggi biblici (Isaia 14:12 e Luca 10:18) finì per associare il termine ‘Lucifer’ al Diavolo, che cade dal paradiso all’inferno, come rappresentato nell’incisione a destra (“Lucifero”, da Alessandro Vellutello, 1534)

A dire la verità, i concetti di ‘Venere’ e ‘fosforo’ sono stati strettamente collegati fin dall’antichità. In pochi sanno che secoli prima che il termine ‘fosforo’ fosse usato per riferirsi a uno degli elementi chimici fondamentali per la vita, era usato proprio per battezzare il nostro vicino pianeta. Come dicevamo all’inizio, ‘fosforo’ significa “portatore di luce”, e per questo i Greci diedero questo nome all’oggetto celeste che illuminava il cielo all’alba. Loro pensavano che fosse una stella, la “stella del mattino”. Oggi sappiamo che in realtà è un pianeta, e lo chiamiamo Venere. Ma fu anche battezzato, in latino, come Lucifer, in una traduzione del quarto secolo di un passaggio della Bibbia, Isaia 14:12, che si riferisce alla caduta dal cielo della “stella del mattino”. Infatti questo concetto di caduta e la sua interpretazione come discesa agli inferi, supportato da un altro passaggio biblico (Luca 10:18), finì per associare Lucifero al Diavolo stesso, come già faceva Dante Alighieri nell’Inferno della sua Divina Commedia nel XIV secolo, e come si fa ancora oggi nella cultura popolare, serie di Netflix inclusa. È interessante vedere come un concetto associato alla luce (Lucifer, nella sua versione latina, o Fosforos, nella sua versione greca) sia finito per essere usato per menzionare lo stesso Signore delle Tenebre.

Ma torniamo alla fosfina di Venere. In sostanza, il contenuto dell’articolo appena pubblicato su Nature Astronomy può essere riassunto in due concetti fondamentali: 1) uno strato dell’atmosfera di Venere, alto circa 55 km, dove la temperatura e la pressione sono simili a quelle di cui godiamo sulla superficie della Terra, contiene quantità sorprendentemente elevate di fosfina, circa 20 molecole di fosfina per ciascun miliardo di molecole di altri gas, dunque una concentrazione circa mille volte maggiore di quella che abbiamo sul nostro pianeta; 2) non sono noti meccanismi fisici o chimici che spieghino una tale abbondanza di fosfina su Venere, quindi gli autori propongono che possa essere generata per altre vie, tra cui la produzione da parte di microrganismi viventi.

Il secondo punto è quello che ha scatenato una tempesta mediatica e un intenso dibattito nella comunità astrobiologica. La fosfina sulla Terra è infatti associata a forme di vita, poiché è prodotta principalmente dall’attività umana e da alcuni batteri che vivono in ambienti anaerobici, dove l’ossigeno molecolare è molto scarso. Detto questo, bisognerebbe mettere ben in chiaro che la presenza di fosfina su Venere non implica che lì ci sia vita: è solo una delle spiegazioni possibili, sicuramente la più suggestiva ma non la più plausibile. Gli autori dell’articolo hanno compiuto uno sforzo encomiabile per convincerci che altri meccanismi di produzione di fosfina – processi chimici nell’atmosfera, attività vulcanica, fulmini o impatti di meteoriti – non sono in grado di spiegare la quantità di fosfina rilevata. Ma questo non significa che non ci siano altre vie, ancora inesplorate, che possano essere responsabili della formazione della fosfina. Dobbiamo tienere presente, ad esempio, che la chimica del fosforo nelle condizioni fisiche dell’atmosfera venusiana è ancora in gran parte sconosciuta. Gli autori hanno utilizzato un modello chimico per il fosforo in cui molti dei parametri non sono noti con certezza. Hanno ipotizzato che alcune reazioni chimiche si comportino in modo analogo a come fanno reazioni chimiche simili dei composti dell’azoto – un elemento che presenta alcune somiglianze con il fosforo. Tuttavia, questa ipotesi potrebbe non essere vera, portando a risultati errati.

Uno degli aspetti positivi della pubblicazione di questo lavoro sarà proprio che molti gruppi di scienziati nel mondo rivolgeranno il loro sguardo al fosforo nei prossimi anni, e questo ci fornirà preziose informazioni, basate su misurazioni di laboratorio e calcoli teorici, su come avvengono le reazioni chimiche che producono molecole che contengono questo elemento chimico. Solo comprendendo bene la complessa chimica dell’atmosfera di Venere, e del fosforo in particolare, potremo essere sicuri se abbiamo bisogno o meno della presenza della vita per spiegare le osservazioni.

Sull’idoneità della fosfina come biomarcatore, cioè come segno inequivocabile della presenza di vita, molto si è detto e discusso in questi giorni. Tuttavia, è stata prestata pochissima attenzione alla veridicità del rilevamento stesso. Praticamente tutti i media, e buona parte della comunità astrobiologica, hanno considerato che, appunto, gli autori abbiano rilevato la fosfina grazie alle osservazioni ottenute con il telescopio submillimetrico Alma. Va però sottolineato che all’interno della comunità astrochimica, che si dedica proprio alla ricerca e all’identificazione di nuove molecole nello spazio, la cosa non è così chiara. In effetti, gli stessi autori nel loro articolo non dicono con fermezza di aver “visto la fosfina”, ma piuttosto – usando le loro stesse parole – che presentano un “candidato“ per il rilevamento. Ho parlato personalmente con diversi colleghi astrochimici in questi giorni e ho letto le opinioni di altri colleghi sui media e sui social network, e mentre c’è chi pensa che il rilevamento possa essere buono, ci sono anche molti che credono che possa essere un falso positivo.

Nel migliore dei casi, dobbiamo essere molto cauti. In primo luogo, perché il segnale catturato dai telescopi potrebbe non essere reale, ma un artefatto prodotto durante il processo di analisi dei dati. Queste osservazioni sono tecnicamente molto complicate, poiché stanno cercando di rilevare un segnale molto debole (quello prodotto dalla molecola che si sta cercando) che si mescola con un segnale diecimila volte più luminoso (quello prodotto dall’emissione termica del pianeta). Immaginate di trovare un ago da 0.1 mm in un campo di grano con steli alti un metro, e ricoperto di un’erba spessa e ondulata dell’altezza dell’ago. Anche se conosciamo il posto esatto in cui guardare, sembra complicato. Questa è stata la sfida che gli autori dell’articolo hanno cercato di affrontare. Sapevano che, se ci fosse la fosfina, un segnale molto debole dovrebbe apparire a una certa frequenza: 266.9445 GHz. E hanno faticato a vedere se ci fosse davvero qualcosa nei dati ottenuti con i radiotelescopi. Per questo hanno dovuto effettuare un trattamento dei dati complesso e sofisticato, mirato a rivelare la presenza del segnale debole. Ed ecco qui che il Diavolo – o Lucifero, ricordiamo che significa Fosforo – è di nuovo presente. È possibile che, metaforicamente, il Signore delle Tenebre possa averci fuorviato per confonderci e farci credere che c’è un segnale di luce dove in realtà non c’è. Più i dati che otteniamo dalle osservazioni astronomiche vengono “toccati”, più possibilità ci sono di introdurre segnali artificiali. Soprattutto se, inconsciamente, la persona che esegue l’analisi è predisposta a vedere qualcosa alla frequenza esatta in cui dovrebbe esserci la fosfina.

Anche nel caso di dare per buono il segnale rilevato, poi, non possiamo essere completamente sicuri che sia fosfina. Potrebbe essere dovuto ad altre molecole che emettono anch’esse a quella frequenza. Una possibilità è il diossido di zolfo (SO2), che è la terza specie molecolare più abbondante nell’atmosfera di Venere. Gli autori cercano di dimostrare che il segnale rilevato non può essere dovuto a SO2, poiché non vedono altri segnali di SO2 che dovrebbero essere presenti nei dati. Tuttavia, data la scarsa conoscenza della chimica dell’atmosfera venusiana e delle sue condizioni di eccitazione, non si può escludere con completa certezza che l’SO2 possa contribuire al segnale che gli autori hanno individuato. Anche altre molecole, come HC3N o SiS, emettono segnali a frequenze molto simili a quella della fosfina. Certo è che, dato quello che sappiamo sulla composizione chimica di Venere, non ci aspetteremmo che queste due molecole siano molto abbondanti, ma esattamente lo stesso argomento può essere applicato alla fosfina. In un’atmosfera ossidante come quella di Venere, con molto ossigeno e scarso idrogeno, il poco fosforo presente dovrebbe formare composti ossigenati come acidi fosforici o fosfati, e non idrogenati come la fosfina. Pertanto, la fosfina è cosi apparentemente esotica quanto gli altri possibili candidati.

Un altro motivo per essere costruttivamente scettici è che è stato rilevato un solo segnale di fosfina. Le molecole di un gas a una certa temperatura ruotano e vibrano, e così facendo emettono luce. Come spiega la fisica quantistica, i livelli di energia della molecola sono quantizzati e ogni salto tra i livelli, che chiamiamo transizione, produce fotoni a una certa frequenza. Pertanto, ogni molecola emette il suo caratteristico schema di luce, a causa delle molteplici transizioni tra i suoi diversi livelli. Normalmente, per confermare la presenza di una molecola nello spazio, noi astrofisici presentiamo prove di aver rilevato diverse transizioni di una molecola: più ce ne sono e meglio è, per poter escludere che siano falsi positivi o che il segnale sia dovuto ad altre molecole. Questo non è stato ancora fatto nel caso di Venere, dove è stato rilevato solo il segnale prodotto nel salto dal livello rotazionale 1 a 0. Per poter dire con certezza che c’è fosfina nell’atmosfera venusiana bisognerà attendere nuove osservazioni di altre transizioni che confermino o meno la sua presenza. Anche se sappiamo già che non sarà un compito facile: altre transizioni rotazionali della fosfina emettono luce a frequenze nel intervallo submilimetrico che, sfortunatamente, non sono osservabili con telescopi terrestri a causa dell’opacità della nostra atmosfera, che funziona come uno schermo opaco. Una possibile alternativa sarebbe quella di utilizzare il telescopio Sofia (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), che viaggia a bordo di un Boeing 747 a un’altitudine di circa 13 km, dove l’opacità è minima. Altre alternative si basano su una diversa porzione dello spettro elettromagnetico: l’intervallo infrarosso da 4 a 10 micron, dove anche la fosfina emette segnali. In questo senso, una fortunata coincidenza permetterà alla sonda spaziale BepiColombo, che si sta dirigendo verso Mercurio, di passare molto vicino a Venere (a una distanza di circa diecimila km) il prossimo 15 ottobre. La sonda trasporta strumenti in grado di rilevare segnali di fosfina fino a 10 micron. Gli scienziati responsabili della missione avevano già programmato di fare osservazioni dell’atmosfera di Venere approfittando del vicino sorvolo, ma ora guarderanno molto più attentamente se c’è qualche traccia di fosfina. Una rilevazione positiva da parte di BepiColombo, completamente indipendente dal lavoro pubblicato di recente con Alma, consentirebbe non solo di confermare la presenza di fosfina su Venere in modo molto più robusto, ma anche di stimarne l’abbondanza con maggiore precisione.

Il pittore inglese Joseph Wright ritrasse l’espressione attonita che dev’essere apparsa sul volto di Hennig Brand contemplando nel suo laboratorio il bagliore prodotto dal fosforo che aveva appena scoperto per caso. Immagino che i miei colleghi astrofisici abbiano provato un simile stupore mentre esaminavano l’apparente segnale di luce, alla frequenza a cui la fosfina emette, nei dati provenienti dall’atmosfera di Venere. Nel caso dell’alchimista tedesco, il tempo confermò che si trattava di un nuovo elemento chimico, sconosciuto all’epoca. Nel caso della fosfina venusiana, solo nuove osservazioni potranno corroborare la sua presenza sul nostro vicino pianeta. Dato che il Diavolo è ovunque, meglio se ci armiamo di solide prove scientifiche difficili da confutare, prima di fare grandi affermazioni, soprattutto se implicano l’esistenza di nuove forme di vita al di fuori del nostro pianeta. Lo stesso Carl Sagan, uno dei postulatori della possibile vita tra le nuvole di Venere, ci aveva avvertito, facendo eco alle frasi del filosofo David Hume e del matematico Pierre-Simon Laplace, che “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie”. Per quanto riguarda la possibile fosfina venusiana e la sua ipotetica origine biologica, le prove che abbiamo fino ad oggi sono chiaramente insufficienti. Non siamo sicuri che il segnale sia reale, né possiamo affermare con sicurezza che sia fosfina, tanto meno possiamo assicurare che, se la sua presenza venisse confermata, sia dovuta a forme di vita extraterrestri. Al momento ci sono più domande che risposte, cosa che, tra l’altro, amiamo noi scienziati. È tutta fosfina quella che luccica? Non lo sappiamo, ma proveremo a scoprirlo.

Correzione del 2.10.2020: nella versione iniziale c’era un errore nell’accentazione delle due parole greche φῶς e φορός, ed era indicata l’urea al posto dell’urina.

Il contenuto originale di questo articolo è stato pubblicato sul blog Entre Científic@s dell’Instituto de Física Corpuscular (Ific – Csic / U. Valencia)