Per capire la formazione delle atmosfere degli esopianeti, i cercatori dell’Università di Washington hanno compiuto due simulazioni con le cosiddette super-Terre, corpi rocciosi che arrivano fino a circa dieci volte la massa della Terra.
Nei romanzi di fantascienza i Signori malvagi e alieni ostili minacciano spesso di vaporizzare la Terra. Alcuni ricercatori guidato dal Prof. Bruce Fegley PhD, e Professore di Scienze della Terra e Planetarie in Arts & Sciences all’Università di Washington a St. Louis hanno compiuto delle simulazioni per capire la composizione delle atmosfere planetarie in altri sistemi solari.
Fegley e le sue colleghe, Katharina Lodders, PhD, Research Professor di Scienze della Terra e Planetarie che attualmente lavora presso la National Science Foundation (NSF) e Laura Schaefer, studentessa laureata all’Havard University, hanno vaporizzato la Terra con una simulazione, quindi matematicamente e con l’uso di particolari programmi.
Sperimentando con oggetti delle dimensioni della Terra si cerca di capire che cosa gli astronomi dovrebbero osservare quando guardano le atmosfere delle super-Terre, nel tentativo di imparare la composizione dei pianeti.
Le super-Terre sono pianeti che si trovano al di fuori del nostro Sistema Solare (tutti i pianeti in altri sistemi solari vengono definiti in generale esopianeti o pianeti extrasolari), che presentano una massa maggiore di quella terrestre e inferiore a quella del pianeta Nettuno. Inoltre, sono ricchi di roccia e non di gas. A causa delle tecniche utilizzate per trovarle, la maggior parte delle super-Terre rilevate sono oggetti che orbitano molto vicini alla loro stella ospite, all’interno della regione di fusione della roccia.
La loro ricerca, pubblicata su Astrophysical Journal, mostra che le super-Terre sono molto calde e hanno atmosfere composte per la maggior parte di vapore e di anidride carbonica, con piccole quantità di altri gas che potrebbero essere utilizzati per distinguere una composizione planetaria da un’altra.
Il Team WUSTL collabora con il gruppo di ricerca di Mark Marley, PhD presso l’Ames Reserach Center della NASA per convertire le abbondanze del gas calcolato in spettri sintetici che i cercatori di pianeti possono confrontare con gli spettri misurati.
Sotto circostanze favorevoli, le tecniche per la ricerca di pianeti permette ai ricercatori non solo di trovare esopianeti, ma anche di misurarne la densità media. La densità media assieme ai modelli teorici permettono di conoscere la composizione chimica dei pianeti giganti gassosi e, nel caso dei pianeti rocciosi, i vari materiali rocciosi spesso si sommano in vari modi mantenendo la stessa densità media. Questo è un risultato che i ricercatori chiamano degenerazione.
Se un pianeta passa davanti alla sua stella (transito di un pianeta) gli astronomi possono osservare la luce della stella filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta, determinando in questo modo la composizione dell’atmosfera planetaria. “Non è pazzesco che gli astronomi lo possano fare e molti stanno guardando le atmosfere planetarie di questi transiti di esopianeti” ha affermato Fegley. “Proprio ora, ci sono otto transiti di esopianeti dove gli astronomi hanno compiuto alcune misurazioni atmosferiche e probabilmente verranno riportati nel prossimo futuro. Abbiamo modellato l’atmosfera di calde super-Terre perché questo è quello che gli astronomi stanno scoprendo e abbiamo voluto fare una previsione di quello che dovrebbero osservare quando guardano le atmosfere al fine di decifrare la natura del pianeta” ha concluso Fegley.
Anche se i pianeti sono chiamati super-Terre, Fegley dice che tale termine si riferisce alla loro massa senza far alcun riferimento alla loro composizione, tanto meno alla loro abitabilità. La Terra viene presa come unità di misura o di riferimento nella ricerca di altri pianeti.
Il team di ricercatori ha compiuto dei calcoli anche considerando due tipi di pseudo-Terre, una con una composizione simile a quella della crosta continentale terrestre e l’altra, chiamata Bulk Silicate Earth (BSE), con una composizione simile a quella della Terra prima che la crosta continentale si formasse. La differenza tra i due modelli, afferma Fegley, è l’acqua. La crosta continentale della Terra è dominata dalla granite, ma è necessaria l’acqua perché si formi la granite. Se non vi è acqua, si ottiene una crosta basaltica, simile a quella di Venere. Entrambe le croste sono per la maggior parte formate da silicio e ossigeno, ma una crosta basaltica è più ricca di elementi quali il ferro e il magnesio.
Fegley ammette che la crosta continentale della Terra non è un perfetto analogo per i pianeti privi di vita perché è stata modificata dalla presenza della vita nel corso degli ultimi quattro miliardi di anni, sia con l’ossidazione della rosta, sia guidando la produzione di vaste riserve di carbonio, per esempio sottoforma di carbone e olio.
Le super-Terre, che il gruppo di ricercatori ha utilizzato, si pensa abbiano temperature superficiali che vanno dai 270°C a 1700°C. La Terra, invece, ha una temperatura superficiale media di circa 15°C.
Utilizzando i calcoli dell’equilibrio termodinamico, il team ha determinato quali elementi e composti sarebbero allo stato gassoso e a tali temperature.
“La pressione del vapore della roccia liquida aumenta man mano che viene riscaldata, proprio come la pressione del vapore dell’acqua aumenta quando si mette una pentola a bollire” ha affermato Fegley. “In ultima analisi questo riversa tutti i costituenti della roccia in atmosfera”.
La crosta continentale fonde a circa 940°C e il silicato terrestre a circa 1730 °C. Vi sono anche dei gas che vengono rilasciati dalla roccia man mano che si riscalda e si scioglie.
I calcoli mostrano che le atmosfere di entrambi i modelli delle Terre sarebbero dominate, a temperature elevate, dal vapore, ossia dalla vaporizzazione dell’acqua e dei sali idrati, e dall’anidride carbonica, ossia dalla vaporizzazione delle rocce carbonati.
La differenza fondamentale tra i due modelli è che l’atmosfera della BSE è più riducente, il che significa che contiene gas che si ossidano in presenza di ossigeno. A temperature al di sotto di 730°C l’atmosfera BSE, per esempio, contiene metano e ammoniaca.
Metano e ammoniaca, in presenza di radiazione luminosa, si combinano per formare aminoacidi, come avvenne nel famoso esperimento di Miller-Urey sull’origine della vita.
A temperature al di sopra dei 730°C, il biossido di zolfo entrerebbe in atmosfera. “Così, l’atmosfera del pianeta sarebbe simile a quella di Venere, ma con del vapore” afferma Fegley.
Il gas più caratteristico delle rocce calde, tuttavia, è il monossido di silicio, che si verrebbe a trovare nelle atmosfere di entrambi i tipi di pianeti a temperature di 1430°C o maggiori.
Finora, gli esopianeti trovati sono solo parzialmente vaporizzati. Ma le ricerche continuano.
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Questo video è esplicativo della ricerca degli esopianeti e delle tecniche utlizzate per osservarli. In inglese.
Altre informazioni su Media INAF: Un modello climatico per esopianeti: http://www.media.inaf.it/2013/04/08/un-modello-climatico-per-esopianeti/ e Se il pianeta evapora: http://www.media.inaf.it/2012/08/03/se-il-pianeta-evapora/
Washington University in St. Louis – Newsroom – Vaporizing the Earth- https://news.wustl.edu/news/Pages/24087.aspx
Pagina web del Professor Bruce Fegley – http://eps.wustl.edu/people/bruce_fegley
Articoli: Fegley, B., Jr. and Schaefer, L. (2012) Chemistry of the Earth’s Earliest Atmosphere, In The Atmosphere – History (ed., J. Farquhar, D. Canfield, and J. Kasting), Vol. 13 Treatise on Geochemistry, (eds. H. D. Holland and K. K. Turekian), Elsevier Science, 2nd ed., in press.
Schaefer, L., Lodders, K., and Fegley, B., Jr. (2012) Vaporization of the Earth: Application to exoplanet atmospheres. ApJ, 755:41 doi:10.1088/0004-637X/755/1/41.
Sabrina