La ricerca di esopianeti è cresciuta enormemente negli ultimi decenni grazie a osservatori e strumenti di nuova generazione. Il censimento attuale conta 5.766 esopianeti confermati in 4.310 sistemi, con migliaia di altri in attesa di conferma. Con così tanti pianeti disponibili per lo studio, le ricerche sugli esopianeti e l’astrobiologia stanno passando dal processo di scoperta alla caratterizzazione. Fondamentalmente, ciò significa che gli astronomi stanno raggiungendo un punto in cui possono immaginare direttamente gli esopianeti e determinare la composizione chimica delle loro atmosfere.

Come sempre, l’obiettivo finale è trovare esopianeti terrestri (rocciosi) “abitabili”, il che significa che potrebbero sostenere la vita. Tuttavia, le nostre concezioni di abitabilità si sono principalmente concentrate su confronti con la Terra moderna (cioè “simile alla Terra”), idea che è stata messa in discussione negli ultimi anni. In uno studio recente, un team di astrobiologi ha considerato come la Terra sia cambiata nel tempo, dando origine a diverse biosignature. I loro risultati potrebbero informare le future ricerche di esopianeti utilizzando telescopi di nuova generazione come l’Osservatorio dei Mondi Abitabili (HWO), previsto per lo spazio entro il 2040.

Lo studio è stato condotto da Kenneth Goodis Gordon, uno studente laureato del Gruppo di Scienze Planetarie dell’Università della Florida Centrale (UCF). Era accompagnato da ricercatori dell’Institute SETI, del Virtual Planetary Laboratory Team dell’Università di Washington, del Nexus for Exoplanet System Science (NESS) di NASA, della Divisione di Scienze Spaziali e di Astrobiologia del NASA Ames Research Center, della Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) del NASA Goddard Space Flight Center e del Jet Propulsion Laboratory della NASA. Il documento che descrive i loro risultati è in fase di considerazione per la pubblicazione su The Astrophysical Journal.

Concetto artistico della Terra durante il periodo del Grande Bombardamento Tardivo. Credito: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.
Come indicato dal team nel loro articolo, il censimento attuale degli esopianeti include più di 200 pianeti terrestri, di cui decine sono stati osservati nella zona abitabile (HZ) dei loro stelle madri. Molti altri sono attesi nei prossimi anni, grazie a strumenti di nuova generazione come il James Webb Space Telescope (JWST) e il Telescopio Estremamente Grande (ELT) dell’ESO. Dotati di spettrometri all’avanguardia, ottica adattativa e coronografi, questi e altri telescopi faciliteranno la caratterizzazione degli esopianeti, l’identificazione delle biosignature e la determinazione della loro abitabilità.

Si tratta di un problema complesso poiché occorre considerare una serie di parametri planetari, orbitali e stellari diversi. Fino ad oggi, la Terra è l’unico pianeta conosciuto in grado di sostenere la vita, il che limita la nostra prospettiva. Ma, come ha dichiarato Goodis Gordon a Universe Today via email, questo non è l’unico modo in cui gli studi di abitabilità sono stati ristretti:

“Attualmente, c’è solo un esempio di un pianeta noto per ospitare vita: la nostra Terra. Tuttavia, quando pensiamo all’abitabilità, la maggior parte delle volte, le persone si riferiscono solo a condizioni simili a quelle moderne della Terra: vegetazione su larga scala, animali, esseri umani, ecc. Questo può limitare gravemente il nostro approccio nella ricerca di esopianeti abitabili, poiché ci offre solo un punto dati con cui confrontarci.
“Ma sappiamo dalle analisi biogeochimiche che la Terra non è solo un punto dati, e che il nostro pianeta è stato abitabile per eoni. Quindi una migliore comprensione delle firme della Terra durante la sua evoluzione ci fornisce più punti di confronto nella ricerca di mondi abitabili altrove.”

Ad esempio, la vita è emersa sulla Terra durante l’Eone Archeano (circa 4 miliardi di anni fa), quando l’atmosfera era prevalentemente composta da azoto, anidride carbonica, metano e gas inerti. Alla fine dell’Era Paleoproterozoica (circa 2,5 a 1,6 miliardi di anni fa), è avvenuto il Grande Evento di Ossidazione dopo un miliardo di anni di fotosintesi cianobatterica. Questo periodo è durato da 2,46 a 2,06 miliardi di anni fa e ha portato la Terra a passare da un’atmosfera riducente a un’atmosfera ossidante, che ha portato all’emergere di forme di vita più complesse.

Impressione artistica della Terra durante l’Eone Archeano. Credito: Smithsonian National Museum of Natural History. Durante questo stesso periodo, il Sole ha subito cambiamenti evolutivi negli ultimi 4,5 miliardi di anni. A quel tempo, il Sole era il 30% meno luminoso rispetto ad oggi e da allora è gradualmente aumentato in luminosità e temperatura. Nonostante ciò, la Terra ha mantenuto acqua liquida sulla sua superficie e la vita ha continuato a sopravvivere ed evolvere. La complessa interrelazione tra l’atmosfera in evoluzione della Terra e l’evoluzione del nostro Sole è fondamentale per mantenere l’abitabilità per miliardi di anni. Come ha spiegato Goodis Gordon:

“Inoltre, le attuali strategie di caratterizzazione degli esopianeti tendono a basarsi esclusivamente sulla luce non polarizzata ricevuta da questi mondi, il che gli studi hanno dimostrato possa portare a errori nei flussi recuperati e degenerazioni nei parametri planetari calcolati. Ad esempio, se un esopianeta ha nuvole o foschie molto spesse nella sua atmosfera, lo spettro di flusso osservato può apparire piatto, con quasi nessuna caratteristica spettrale. Ciò rende estremamente difficile rilevare quali gas siano presenti nell’atmosfera o addirittura di cosa siano composte quelle nuvole o foschie che hanno bloccato la luce.”

Negli ultimi anni, diversi studi hanno esaminato i flussi e le firme di polarizzazione della luce riflessa da una Terra primordiale. Altri hanno simulato diversi scenari nel corso degli Eoni Archeano, Proterozoico (2,5 miliardi a 541 milioni di anni fa) e fanerozoico (538,8 milioni di anni fa ad oggi). Infine, alcuni studi hanno analizzato come le firme di questi analoghi della Terra primordiale cambierebbero se orbitassero intorno a diversi tipi di stelle. Ma come ha sottolineato Goodis Gordon, quasi tutti questi studi si sono concentrati sul flusso non polarizzato proveniente da questi mondi, quindi hanno perso alcune delle informazioni disponibili nella luce:

“La polarizzazione è uno strumento più sensibile rispetto alle osservazioni basate solo sul flusso e può migliorare le caratterizzazioni degli esopianeti. La polarimetria è estremamente sensibile al meccanismo fisico che disperde la luce, consentendo così caratterizzazioni accurate delle proprietà di un’atmosfera planetaria e della sua superficie. Inoltre, poiché la polarizzazione misura la luce come un vettore, è sensibile alle posizioni delle caratteristiche del pianeta, come le distribuzioni di nuvole e terra, così come alla rotazione diurna e alla variabilità stagionale. All’interno del Sistema Solare, le osservazioni polarimetriche hanno aiutato a caratterizzare le nuvole di Titano, Venere e i giganti gassosi, mentre al di fuori di esso, la polarimetria è stata utilizzata per caratterizzare le proprietà delle nuvole delle nane brune. In molti di questi casi, la scoperta caratterizzante è stata possibile solo grazie alla polarimetria!”

Questo concetto artistico presenta una delle molteplici opzioni di design iniziali per l’Osservatorio dei Mondi Abitabili della NASA. Credito: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab. Ciò potrebbe avere profonde implicazioni per lo studio e la caratterizzazione degli esopianeti nel prossimo futuro. Utilizzando un concetto ampliato di abitabilità che tiene conto di come la Terra si è evoluta nel tempo e beneficiando dello studio della luce polarizzata, gli astronomi saranno probabilmente in grado di identificare molti più pianeti abitabili quando osservatori di nuova generazione come l’HWO diventeranno disponibili. I piani per questo osservatorio si basano su due concetti di missione precedenti – il Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR) e l’Habitable Exoplanets Observatory (HabEx).
Basandosi su questi studi precedenti e sull’esperienza accumulata dagli astronomi lavorando con missioni precedenti di ricerca di esopianeti — come Hubble, Kepler, il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) e il JWST — il HWO sarà progettato specificamente per esaminare le “atmosfere degli esopianeti per potenziali indicazioni di vita” (alias “biosignature”) e determinare se sono potenzialmente pianeti abitabili. Come ha indicato Goodis Gordon, la ricerca del suo team potrebbe aiutare a informare future indagini utilizzando l’HWO e altri osservatori di nuova generazione:

“I nostri modelli forniscono più punti dati con cui confrontare le osservazioni di esopianeti terrestri e quindi aiutano a informare gli studi di abitabilità di questi mondi. Inoltre, c’è stata una spinta nella comunità degli esopianeti negli ultimi anni per includere la polarimetria in osservatori a breve termine come i Telescopi Estremamente Grandi a terra o l’Osservatorio dei Mondi Abitabili nello spazio. La nostra speranza è che i nostri modelli aiutino a dimostrare il potere della polarimetria nel caratterizzare e distinguere tra diversi scenari di esopianeti abitabili in modi che le osservazioni di flusso non polarizzato non possono.”

Ulteriori letture: arXiv
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