Senza acqua, la vita sulla Terra non potrebbe esistere come la conosciamo oggi. Comprendere la storia dell’acqua nell’universo è fondamentale per capire come nascono i pianeti come la Terra.
Gli astronomi in genere si riferiscono al viaggio che l’acqua compie dalla sua formazione come singole molecole nello spazio al suo luogo di riposo sulle superfici dei pianeti come “la scia dell’acqua”. Il percorso inizia nel mezzo interstellare con idrogeno e ossigeno gassoso e termina con oceani e calotte glaciali sui pianeti, con lune ghiacciate in orbita attorno a giganti gassosi e comete ghiacciate e asteroidi che orbitano intorno alle stelle. L’inizio e la fine di questo sentiero sono facili da vedere, ma la parte centrale è rimasta un mistero.
In un nuovo articolo, si descrive le prime misurazioni mai effettuate di questa parte centrale precedentemente nascosta del sentiero d’acqua e cosa significano queste scoperte per l’acqua trovata su pianeti come la Terra.
Come si formano i pianeti
La formazione di stelle e pianeti è intrecciata. Il cosiddetto “vuoto dello spazio” – ovvero il mezzo interstellare – contiene infatti grandi quantità di idrogeno gassoso, quantità minori di altri gas e granelli di polvere. A causa della gravità, alcune sacche del mezzo interstellare diventeranno più dense man mano che le particelle si attraggono a vicenda e formano le nubi. Man mano che la densità di queste nubi aumenta, gli atomi iniziano a scontrarsi più frequentemente e formano molecole più grandi, inclusa l’acqua che si forma sui granelli di polvere e ricopre la polvere di ghiaccio.
Le stelle iniziano a formarsi quando parti della nube che collassa raggiungono una certa densità e si riscaldano abbastanza da iniziare a fondere insieme gli atomi di idrogeno. Poiché solo una piccola frazione del gas collassa inizialmente nella protostella appena nata, il resto del gas e della polvere forma un disco appiattito di materiale che ruota attorno alla stella neonata in rotazione. Gli astronomi lo chiamano disco proto-planetario.
Quando le particelle di polvere ghiacciata si scontrano tra loro all’interno di un disco proto-planetario, iniziano ad aggregarsi. Il processo continua e alla fine forma gli oggetti familiari dello spazio come asteroidi, comete, pianeti rocciosi come la Terra e giganti gassosi come Giove o Saturno.
Due teorie per la fonte dell’acqua
Ci sono due potenziali percorsi che l’acqua nel nostro sistema solare potrebbe aver preso. Il primo, chiamato ereditarietà chimica, è quando le molecole d’acqua originariamente formate nel mezzo interstellare vengono consegnate ai dischi proto-planetari e a tutti i corpi che creano senza subire alcun cambiamento.
La seconda teoria si chiama reset chimico. In questo processo, il calore della formazione del disco proto-planetario e della stella neonata rompe le molecole d’acqua, che poi si riformano una volta che il disco proto-planetario si raffredda.
Per testare queste teorie, gli astronomi osservano il rapporto tra l’acqua normale e un tipo speciale di acqua chiamata acqua semipesante. L’acqua è normalmente composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. L’acqua semipesante è composta da un atomo di ossigeno, un atomo di idrogeno e un atomo di deuterio, un isotopo più pesante dell’idrogeno con un neutrone in più nel nucleo.
Il rapporto tra acqua semipesante e normale è una luce guida sulla scia dell’acqua: misurare il rapporto può dire molto agli astronomi sulla fonte dell’acqua. Modelli ed esperimenti chimici hanno dimostrato che nel mezzo interstellare freddo verrà prodotta acqua semipesante circa 1.000 volte in più che nelle condizioni di un disco protoplanetario.
Questa differenza significa che misurando il rapporto tra acqua semipesante e acqua normale in un luogo, gli astronomi possono dire se quell’acqua ha attraversato il percorso di eredità chimica o di ripristino chimico.
Misurare l’acqua durante la formazione di un pianeta
Le comete hanno un rapporto tra acqua semipesante e normale quasi perfettamente in linea con l’eredità chimica, il che significa che l’acqua non ha subito un cambiamento chimico importante da quando è stata creata per la prima volta nello spazio. Il rapporto terrestre si trova da qualche parte tra l’ereditarietà e il rapporto di ripristino, rendendo poco chiaro da dove provenga l’acqua.
Per determinare veramente da dove provenga l’acqua sui pianeti, gli astronomi avevano bisogno di trovare un disco proto-planetario di riccioli d’oro, che avesse la temperatura e le dimensioni giuste per consentire le osservazioni dell’acqua. Farlo si è rivelato incredibilmente difficile. È possibile rilevare acqua semipesante e normale quando l’acqua è un gas; sfortunatamente per gli astronomi, la stragrande maggioranza dei dischi proto-plantari è molto fredda e contiene principalmente ghiaccio, ed è quasi impossibile misurare i rapporti dell’acqua dal ghiaccio a distanze interstellari.
Una svolta è arrivata nel 2016, quando alcuni astronomi stavano studiando i dischi protoplanetari attorno a un raro tipo di giovane stella chiamata stella FU Orionis. La maggior parte delle giovani stelle consuma la materia dei dischi protoplanetari che le circondano. Le stelle FU Orionis sono uniche perché consumano materia circa 100 volte più velocemente delle tipiche giovani stelle e, di conseguenza, emettono centinaia di volte più energia. A causa di questa maggiore produzione di energia, i dischi protoplanetari attorno alle stelle FU Orionis vengono riscaldati a temperature molto più elevate, trasformando il ghiaccio in vapore acqueo a grandi distanze dalla stella.
Utilizzando l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, un potente radiotelescopio nel nord del Cile, hanno scoperto un grande e caldo disco proto-planetario attorno alla giovane stella simile al Sole V883 Ori, a circa 1.300 anni luce dalla Terra nella costellazione di Orione.
V883 Ori emette 200 volte più energia del Sole, e hanno riconosciuto che era un candidato ideale per osservare il rapporto tra acqua semi-pesante e normale.
Completamento del percorso dell’acqua
Nel 2021, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ha effettuato misurazioni di V883 Ori per sei ore. I dati hanno rivelato una forte firma di acqua semi-pesante e normale proveniente dal disco proto-planetario di V883 Ori. Hanno misurato il rapporto tra acqua semipesante e acqua normale e hanno scoperto che il rapporto era molto simile ai rapporti trovati nelle comete e ai rapporti trovati nei sistemi protostellari più giovani.
Questi risultati colmano il vuoto della scia dell’acqua creando un collegamento diretto tra l’acqua nel mezzo interstellare, le protostelle, i dischi proto-planetari e i pianeti come la Terra attraverso il processo di ereditarietà, non il reset chimico.
I nuovi risultati mostrano definitivamente che una parte sostanziale dell’acqua sulla Terra molto probabilmente si è formata miliardi di anni fa, prima ancora che il Sole si accendesse. La conferma di questo pezzo mancante del percorso dell’acqua attraverso l’universo offre indizi sulle origini dell’acqua sulla Terra. Gli scienziati hanno precedentemente suggerito che la maggior parte dell’acqua sulla Terra provenisse dalle comete che hanno colpito il pianeta. Il fatto che la Terra abbia meno acqua semi-pesante delle comete e di V883 Ori, ma più di quanto la teoria del ripristino chimico produrrebbe, significa che l’acqua sulla Terra probabilmente proveniva da più di una fonte.
Autore
John Tobin, Osservatorio nazionale di radioastronomia
