Una nuova teoria spiega come l’acqua è arrivata sulla Terra

All’inizio della sua storia il nostro pianeta era secco, come ha fatto a diventare blu? Questa è una domanda assolutamente fondamentale alla quale una nuova teoria potrebbe fornire una risposta.

Al momento della sua formazione, la Terra era troppo calda per contenere ghiaccio d’acqua. Tutta l’acqua presente sul pianeta deve quindi avere un’origine extraterrestre. Lo studio di antiche rocce terrestri mostra che sulla Terra c’era acqua liquida già molto presto (almeno secondo le scale temporali degli astrofisici), circa 100 milioni di anni dopo la formazione del Sole. Quest’acqua, vecchia di oltre 4,5 miliardi di anni, è stata costantemente rinnovata grazie a un ciclo perpetuo. Un team di ricercatori, ha appena proposto una nuova teoria per spiegare l’arrivo dell’acqua sulla Terra.

Una questione vecchia di miliardi di anni

Gli astrofisici cercano di rispondere alla domanda sull’origine dell’acqua sulla giovane Terra da decenni. Una delle prime ipotesi suggeriva che l’acqua terrestre fosse un sottoprodotto diretto della formazione del pianeta, rilasciato attraverso il magma durante le eruzioni vulcaniche, dove la maggior parte dei gas prodotti è costituita da vapore acqueo.

Tuttavia, analizzando la composizione dell’acqua terrestre, questa ipotesi si è evoluta negli anni ’90 con la scoperta del potenziale ruolo delle comete ghiacciate, suggerendo un apporto di origine extraterrestre. Le comete, costituite da ghiaccio e roccia, si formano lontano nel sistema solare e, talvolta, vengono espulse verso il Sole. Quando si avvicinano, il calore solare provoca la formazione di una coda di polveri, visibile dalla Terra. Anche gli asteroidi, oggetti situati nella fascia tra Marte e Giove, sono stati indicati come possibili progenitori dell’acqua terrestre.

L’analisi di rocce comete e asteroidi, tramite meteoriti (frammenti caduti sulla Terra), in particolare misurandone il rapporto D/H (il rapporto tra idrogeno pesante, o deuterio, e idrogeno normale), ha mostrato che l’acqua terrestre corrisponde maggiormente a quella degli asteroidi “carboniosi” (che contengono tracce di acqua passata), orientando così le ricerche verso questi ultimi.

Gli studi recenti si sono concentrati sul miglior meccanismo celeste per far arrivare questi asteroidi sulla giovane Terra arida. Sono stati proposti numerosi scenari che descrivono un “rimescolamento” dei planetesimi, corpi ghiacciati presenti nella fascia degli asteroidi (tra Marte e Giove) e nella fascia di Kuiper (oltre Nettuno), per spostarli verso la Terra. Tuttavia, questi scenari implicano complessi giochi gravitazionali, suggerendo una storia intricata del sistema solare. È evidente che ci sono stati impatti per formare i pianeti, ma è possibile che l’apporto d’acqua sia avvenuto in modo più naturale e lineare.

Un’ipotesi “più semplice”.

Partendo dal principio che gli asteroidi sono ghiacciati quando emergono dal loro bozzolo di formazione (chiamato anche “disco protoplanetario”). Questo disco, costituito da gas (prevalentemente idrogeno) e polveri, è il luogo di nascita di pianeti e fasce asteroidali. Una volta disperso il disco protettivo, dopo qualche milione di anni, gli asteroidi iniziano a riscaldarsi, e i loro ghiacci sublimano, trasformandosi in vapore d’acqua.

Il vapore forma un disco intorno al Sole, sovrapponendosi alla fascia degli asteroidi. A mano a mano che i ghiacci sublimano, questo disco si espande verso l’interno del sistema solare, incontrando le pianeti interne – Marte, Terra, Venere e Mercurio – che vengono immerse in questo ambiente di vapore acqueo. Questo processo, avvenuto circa 20-30 milioni di anni dopo la formazione del Sole, coincide con un periodo di intensa attività solare, che ha accelerato la sublimazione degli asteroidi.

L’acqua catturata gravitazionalmente dalle pianeti viene integrata nel ciclo idrico terrestre, che ha mantenuto stabile la quantità totale di acqua sulla Terra nel corso di miliardi di anni.

Una volta che l’acqua viene catturata dall’attrazione gravitazionale dei pianeti, possono succedere molte cose. Tuttavia, sulla Terra esiste un meccanismo di protezione che spiega perché la massa totale dell’acqua non è cambiata molto, dalla fine della cattura fino ad oggi. Infatti, se l’acqua sale troppo in alto nell’atmosfera, si condensa e forma le nubi, che si ritrovano poco dopo sotto forma di pioggia sulla superficie terrestre: questo è il ciclo dell’acqua.

Le quantità d’acqua passate e presenti sulla Terra sono quindi ben note. Il modello, basato sulla sublimazione degli asteroidi carboniosi nella fascia originaria, spiega non solo la quantità d’acqua presente oggi sulla Terra, ma anche il ciclo idrico e l’acqua conservata nelle profondità del mantello terrestre. I rapporti D/H dell’acqua terrestre e la quantità d’acqua passata su Marte e altre pianeti rocciosi sono anch’essi compatibili con questa teoria.

Ci si potrebbe chiedere come mi sia venuta l’idea di proporre questa nuova teoria. Ciò non nasce dal nulla e si basa su recenti osservazioni, in particolare con ALMA, un radiotelescopio composto da più di 60 antenne dispiegate in Cile, su un altopiano a 5 km di altitudine. Infatti, osservando i sistemi extrasolari che hanno cinture simili a quella di Kuiper, ora scopriamo che i planetesimi in queste cinture sublimano il monossido di carbonio (CO). Per le cinture più vicine alla stella, come quella degli asteroidi, la CO è troppo volatile per essere presente ed è piuttosto l’acqua che dovrebbe essere degassata.

Osservazioni future a sostegno dell’ipotesi

È stato quindi sulla base di questa osservazione che è nata l’idea iniziale. Inoltre, grazie ai recenti risultati delle sonde Hayabusa 2 e OSIRIS-ReX partite per esplorare in situ asteroidi simili a quelli che avrebbero potuto partecipare alla formazione del disco iniziale di vapore acqueo, abbiamo potuto confermare (perché abbiamo osservato anche per molto tempo con i telescopi terrestri) la presenza su questi corpi di grandi quantità di minerali idrati, che si possono formare solo a contatto con l’acqua. Il presupposto per spiegare queste osservazioni è che questi asteroidi inizialmente erano ghiacciati, anche se oggi non lo sono più (a parte quelli più massicci come Cerere).

Le basi del modello erano a posto ed è stato quindi necessario costruire una simulazione digitale che potesse seguire questo degasaggio, la diffusione del gas, quindi la sua cattura da parte dei pianeti. Effettuando queste simulazioni i ricercatori hanno subito capito che questo poteva spiegare la quantità di acqua presente sulla Terra. Per gli altri pianeti ho fatto una piccola ricerca per trovare i vincoli sulle quantità di acqua spesa su Marte e sugli altri pianeti terrestri. Anche quello ha funzionato. Bastava pubblicare tutto!

Il ricercatore afferma che:

Come ricercatore, non sviluppi solo un modello che funziona e sembra spiegare tutto; dobbiamo andare oltre e testare la teoria su larga scala. Se è ormai troppo tardi per individuare il disco iniziale di vapore acqueo (su cui tutto si basa) che ha permesso di “irrigare” i pianeti tellurici, è opportuno guardare ai sistemi extrasolari con giovani cinture di eso-asteroidi per vedere se riusciamo effettivamente a distinguere questi dischi di vapore acqueo. Secondo i nostri calcoli, questi dischi d’acqua, anche se non molto luminosi, potrebbero essere rilevabili con ALMA e il nostro team ha appena ottenuto il tempo su ALMA per testare tutto questo su sistemi molto specifici.

Forse siamo all’inizio di una nuova storia…