QUANDO L’EQUILIBRIO TERMOCHIMICO MODIFICA LA COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA

Come trovare oceani nascosti su mondi lontani

Un nuovo studio mostra come le sostanze chimiche nell'atmosfera di un esopianeta possono, in alcuni casi, rivelare se la temperatura sulla sua superficie è troppo alta per l'acqua liquida. In particolare, lo studio mostra quali sostanze chimiche potrebbero indicare la presenza di oceani nascosti su mondi il cui diametro va da 1.7 e 3.5 volte quello terrestre, i cosiddetti sub-nettuniani. Tutti i dettagli su ApJ Letters

     29/10/2021
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I pianeti che sono tra 1.7 e 3.5 volte il diametro della Terra sono talvolta chiamati sub-nettuniani. Non ci sono pianeti in questo intervallo di dimensioni nel Sistema solare. Gli scienziati pensano che molti sub-nettuniani abbiano atmosfere spesse, che potenzialmente nascondono superfici rocciose o oceani liquidi. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

Nel Sistema solare, i pianeti sono fondamentalmente di due tipi: piccoli e rocciosi (come la Terra) o grandi e gassosi (come Nettuno). Ma intorno ad altre stelle gli astronomi hanno trovato pianeti che stanno nel mezzo di questi due estremi: mondi leggermente più grandi della Terra ma più piccoli di Nettuno. Questi pianeti possono avere superfici rocciose oppure oceani di acqua liquida, e nella maggior parte dei casi questa superficie è probabilmente sormontata da atmosfere che sono molte volte più spesse e opache di quella della Terra.

In uno studio pubblicato ieri su The Astrophysical Journal Letters, un gruppo di ricercatori – tra cui Mario Damiano, astrofisico italiano che ora lavora al Jet Propulsion Laboratory (Jpl) della Nasa – mostra come la chimica di quelle atmosfere potrebbe rivelare indizi su ciò che si trova al di sotto, in particolare quali pianeti sono troppo caldi per supportare oceani di acqua liquida. Poiché l’acqua liquida è un ingrediente necessario per la vita come la conosciamo, questa tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a restringere la ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili. Nella nostra galassia sono stati confermati più di 4500 esopianeti, e oltre 7700 candidati sono in attesa di conferma, ma gli scienziati stimano che ne esistano centinaia di miliardi.

Alcuni telescopi spaziali della Nasa dotati di spettrometri possono rivelare la composizione chimica dell’atmosfera di un esopianeta. Sebbene un profilo chimico della Terra non sarebbe certo in grado di rivelare immagini di animali o esseri umani sulla superficie del pianeta, mostrerebbe l’anidride carbonica e il metano prodotti dai mammiferi e l’ossigeno prodotto dagli alberi. Nessuna di queste sostanze chimiche da sola sarebbe un inequivocabile segno di vita, ma insieme indicherebbero la possibilità che il nostro pianeta sia abitato.

Il nuovo studio mostra quali sostanze chimiche potrebbero indicare oceani nascosti su esopianeti tra 1.7 e 3.5 volte il diametro della Terra. Poiché Nettuno è circa quattro volte il diametro della Terra, questi pianeti sono talvolta chiamati sub-nettuniani.

Un’atmosfera densa su un pianeta sub-nettuniano intrappolerebbe il calore sulla superficie e aumenterebbe la temperatura. Se la temperatura dell’atmosfera raggiunge una certa soglia – tipicamente circa 770 gradi Celsius – si sviluppa un processo chiamato equilibrio termochimico che modifica il profilo chimico dell’atmosfera stessa. Dopo che si è verificato l’equilibrio termochimico – e supponendo che l’atmosfera del pianeta sia composta principalmente da idrogeno, che è tipico degli esopianeti gassosi – il carbonio e l’azoto saranno prevalentemente sotto forma di metano (CH4) e ammoniaca (NH3). Queste due sostanze chimiche non sarebbero così preponderanti in un’atmosfera più fredda e più sottile, dove non si è verificato l’equilibrio termochimico. In tal caso, le forme dominanti di carbonio e azoto sarebbero l’anidride carbonica (CO2) e le molecole di due atomi di azoto (N2), seguite da monossido di carbonio (CO) e CH4 prodotte fotochimicamente.

Secondo lo studio, un oceano di acqua liquida sotto l’atmosfera lascerebbe ulteriori segni, inclusa l’assenza di quasi tutta l’ammoniaca libera, che verrebbe dissolta nell’oceano. Il gas di ammoniaca è altamente solubile in acqua, a seconda del pH dell’oceano (ossia del suo livello di acidità). Su un’ampia gamma di plausibili livelli di pH dell’oceano, i ricercatori hanno scoperto che l’atmosfera dovrebbe essere priva di ammoniaca quando al di sotto c’è un enorme oceano.

Inoltre, nell’atmosfera ci sarebbe più anidride carbonica che monossido di carbonio; al contrario, dopo l’equilibrio termochimico, dovrebbe esserci più monossido di carbonio che anidride carbonica.

«Se vedessimo le firme dell’equilibrio termochimico, potremmo concludere che il pianeta è troppo caldo per essere abitabile», spiega Renyu Hu, ricercatore del Jpl che ha guidato lo studio. «Al contrario, se non vedessimo la firma dell’equilibrio termochimico e vedessimo le firme del gas disciolto in un oceano di acqua liquida, potremmo prenderle come una forte indicazione di abitabilità».

Il James Webb Space Telescope della Nasa, che verrà lanciato il 18 dicembre, trasporterà uno spettrometro in grado di studiare le atmosfere degli esopianeti. Scienziati come Hu stanno lavorando per anticipare quali tipi di profili chimici Webb potrebbe vedere in quelle atmosfere e cosa potrebbero rivelare su questi mondi lontani. Webb avrà la capacità di identificare i segni dell’equilibrio termochimico nelle atmosfere sub-nettuniane – in altre parole, i segni di un oceano nascosto – così come definite nello studio.

Man mano che Webb scoprirà nuovi pianeti o farà studi più approfonditi su pianeti conosciuti, queste informazioni potrebbero aiutare gli scienziati a decidere quali di loro sono degni di ulteriori osservazioni, specialmente se sono interessati a pianeti che potrebbero ospitare la vita.

«Non abbiamo prove osservative dirette che ci dicano quali sono le caratteristiche fisiche comuni per i sub-nettuniani», conclude Hu. «Molti di loro potrebbero avere massicce atmosfere di idrogeno, ma alcuni potrebbero ancora essere pianeti oceanici. Spero che questo studio motiverà molte altre osservazioni nel prossimo futuro per scoprirlo».

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