TRAPPIST-1e è un esopianeta roccioso nella zona abitabile di una stella a 40 anni luce dalla Terra
TRAPPIST-1e è un esopianeta roccioso nella zona abitabile di una stella a 40 anni luce dalla Terra e potrebbe avere acqua e nuvole, come raffigurato nell'impressione di questo artista. NASA/JPL-Caltech/Wikimedia Commons
  • Categoria dell'articolo:Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:18 Settembre 2022

Gli ingredienti per la vita sono sparsi in tutto l’universo. Sebbene la Terra sia l’unico posto conosciuto nell’universo con la vita, rilevare la vita oltre la Terra è uno degli obiettivi principali dell’astronomia moderna e della scienza planetaria.

Siamo due scienziati che studiano esopianeti e astrobiologia. Grazie in gran parte ai telescopi di nuova generazione come James Webb, ricercatori come noi saranno presto in grado di misurare la composizione chimica delle atmosfere dei pianeti attorno ad altre stelle. La speranza è che uno o più di questi pianeti abbiano una firma chimica della vita.

Esopianeti abitabili

La vita potrebbe esistere nel sistema solare dove c’è acqua liquida, come le falde acquifere sotterranee su Marte o negli oceani della luna di Giove Europa. Tuttavia, la ricerca della vita in questi luoghi è incredibilmente difficile, poiché sono difficili da raggiungere e rilevare la vita richiederebbe l’invio di una sonda per restituire campioni fisici.

Molti astronomi credono che ci siano buone probabilità che la vita esista su pianeti in orbita attorno ad altre stelle, ed è possibile che sia lì che si troverà la vita per la prima volta.

I calcoli teorici suggeriscono che ci sono circa 300 milioni di pianeti potenzialmente abitabili nella sola galassia della Via Lattea e diversi pianeti abitabili delle dimensioni della Terra a soli 30 anni luce dalla Terra, essenzialmente i vicini galattici dell’umanità. Finora, gli astronomi hanno scoperto oltre 5.000 esopianeti, inclusi centinaia di potenzialmente abitabili, utilizzando metodi indiretti che misurano come un pianeta influenza la sua stella vicina. Queste misurazioni possono fornire agli astronomi informazioni sulla massa e le dimensioni di un esopianeta, ma non molto altro.

Alla ricerca di firme biologiche

Per rilevare la vita su un pianeta lontano, gli astrobiologi studieranno la luce stellare che ha interagito con la superficie o l’atmosfera di un pianeta. Se l’atmosfera o la superficie sono state trasformate dalla vita, la luce può portare un indizio, chiamato “biofirma“.

Per la prima metà della sua esistenza, la Terra ha sfoggiato un’atmosfera priva di ossigeno, anche se ha ospitato vita semplice e unicellulare. La biofirma della Terra era molto debole durante questa prima era. La situazione è cambiata bruscamente 2,4 miliardi di anni fa, quando si è evoluta una nuova famiglia di alghe. Le alghe utilizzavano un processo di fotosintesi che produce ossigeno libero, ossigeno che non è legato chimicamente a nessun altro elemento. Da quel momento in poi, l’atmosfera piena di ossigeno della Terra ha lasciato una biofirma forte e facilmente rilevabile sulla luce che la attraversa.

Quando la luce rimbalza sulla superficie di un materiale o passa attraverso un gas, è più probabile che alcune lunghezze d’onda della luce rimangano intrappolate nel gas o nella superficie del materiale rispetto ad altre. Questa cattura selettiva delle lunghezze d’onda della luce è il motivo per cui gli oggetti hanno colori diversi. Le foglie sono verdi perché la clorofilla è particolarmente adatta ad assorbire la luce nelle lunghezze d’onda rosse e blu. Quando la luce colpisce una foglia, le lunghezze d’onda rossa e blu vengono assorbite, lasciando la maggior parte della luce verde a rimbalzare negli occhi.

Il modello di luce mancante è determinato dalla composizione specifica del materiale con cui la luce interagisce. Per questo motivo, gli astronomi possono imparare qualcosa sulla composizione dell’atmosfera o della superficie di un esopianeta, in sostanza, misurando il colore specifico della luce che proviene da un pianeta.

Questo metodo può essere utilizzato per riconoscere la presenza di alcuni gas atmosferici associati alla vita, come l’ossigeno o il metano, perché questi gas lasciano segni molto specifici alla luce. Potrebbe anche essere usato per rilevare colori particolari sulla superficie di un pianeta. Sulla Terra, ad esempio, la clorofilla e altri pigmenti utilizzati dalle piante e dalle alghe per la fotosintesi catturano specifiche lunghezze d’onda della luce. Questi pigmenti producono colori caratteristici che possono essere rilevati utilizzando una sensibile telecamera a infrarossi. Se dovessi vedere questo colore riflettersi sulla superficie di un pianeta lontano, significherebbe potenzialmente la presenza di clorofilla.

Telescopi nello spazio e sulla Terra

Ci vuole un telescopio incredibilmente potente per rilevare questi sottili cambiamenti nella luce proveniente da un esopianeta potenzialmente abitabile. Per ora, l’unico telescopio capace di una tale impresa è il nuovo James Webb Space Telescope. Quando ha iniziato le operazioni scientifiche nel luglio 2022, James Webb ha letto lo spettro dell’esopianeta gigante gassoso WASP-96b. Lo spettro ha mostrato la presenza di acqua e nuvole, ma è improbabile che un pianeta grande e caldo come WASP-96b ospiti vita.

Tuttavia, questi primi dati mostrano che James Webb è in grado di rilevare deboli firme chimiche alla luce proveniente dagli esopianeti. Nei prossimi mesi, Webb girerà i suoi specchi verso TRAPPIST-1e, un pianeta delle dimensioni della Terra potenzialmente abitabile a soli 39 anni luce dalla Terra.

TRAPPIST-1e è un esopianeta roccioso nella zona abitabile di una stella a 40 anni luce dalla Terra e potrebbe avere acqua e nuvole, come raffigurato nell'impressione di questo artista. 
TRAPPIST-1e è un esopianeta roccioso nella zona abitabile di una stella a 40 anni luce dalla Terra e potrebbe avere acqua e nuvole, come raffigurato nell’impressione di questo artista. 
NASA/JPL-Caltech/Wikimedia Commons

Webb può cercare le firme biologiche studiando i pianeti mentre passano davanti alle stelle che li ospitano e catturando la luce stellare che filtra attraverso l’atmosfera del pianeta. Ma Webb non è stato progettato per cercare la vita, quindi il telescopio è in grado di esaminare solo alcuni dei mondi potenzialmente abitabili più vicini. Può anche rilevare solo i cambiamenti nei livelli atmosferici di anidride carbonica, metano e vapore acqueo. Sebbene alcune combinazioni di questi gas possano suggerire la vita, Webb non è in grado di rilevare la presenza di ossigeno non legato, che è il segnale più forte per la vita.

I concetti principali per i futuri telescopi spaziali, ancora più potenti, includono piani per bloccare la luce brillante della stella ospite di un pianeta per rivelare la luce stellare riflessa dal pianeta. Questa idea è simile all’usare la mano per bloccare la luce solare per vedere meglio qualcosa in lontananza. I futuri telescopi spaziali potrebbero utilizzare piccole maschere interne o grandi veicoli spaziali esterni a forma di ombrello per farlo. Una volta che la luce stellare è bloccata, diventa molto più facile studiare la luce che rimbalza su un pianeta.

Ci sono anche tre enormi telescopi terrestri attualmente in costruzione che saranno in grado di cercare biosignature: il Giant Magellen Telescope, il Thirty Meter Telescope e l’European Extremely Large Telescope. Ciascuno è molto più potente dei telescopi esistenti sulla Terra e, nonostante l’handicap dell’atmosfera terrestre che distorce la luce delle stelle, questi telescopi potrebbero essere in grado di sondare le atmosfere dei mondi più vicini alla ricerca di ossigeno.

È biologia o geologia?

Anche utilizzando i più potenti telescopi dei prossimi decenni, gli astrobiologi saranno in grado di rilevare solo forti biofirme prodotte da mondi che sono stati completamente trasformati dalla vita.

Sfortunatamente, la maggior parte dei gas rilasciati dalla vita terrestre può essere prodotta anche da processi non biologici: mucche e vulcani rilasciano entrambi metano. La fotosintesi produce ossigeno, ma anche la luce solare, quando divide le molecole d’acqua in ossigeno e idrogeno. C’è una buona probabilità che gli astronomi rilevino alcuni falsi positivi quando cercano la vita lontana. Per aiutare a escludere i falsi positivi, gli astronomi dovranno comprendere un pianeta di interesse abbastanza bene da capire se i suoi processi geologici o atmosferici potrebbero imitare una biofirma.

La prossima generazione di studi sugli esopianeti ha il potenziale per superare il limite delle prove straordinarie necessarie per dimostrare l’esistenza della vita. Il primo rilascio di dati dal telescopio spaziale James Webb ci dà un’idea degli entusiasmanti progressi che stanno arrivando.

Autore

Chris Impey, Daniel ApaiUniversità dell’Arizona