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Le Comete hanno portato i mattoni della vita ai mondi oceanici come Europa, Encelado e Titano?

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Nel corso della storia della Terra, la superficie del pianeta è stata regolarmente colpita da comete, meteore e occasionali grandi asteroidi. Anche se questi eventi sono stati spesso distruttivi, talvolta al punto da provocare estinzioni di massa, potrebbero aver giocato un ruolo significativo nell’emergere della vita sulla Terra. Questo è particolarmente vero per l’Era Hadeana (circa 4,1 – 3,8 miliardi di anni fa) e il Cosiddetto Bombardamento Pesante Finale, quando la Terra e altri pianeti del Sistema Solare interno furono colpiti da un numero sproporzionato di asteroidi e comete.

Si pensa che questi impattatori siano stati il modo in cui l’acqua è stata consegnata al Sistema Solare interno e probabilmente anche i mattoni fondamentali della vita. Ma cosa dire dei molti corpi ghiacciati nel Sistema Solare esterno, i satelliti naturali che orbitano attorno ai giganti gassosi e presentano oceani d’acqua liquida nei loro interni (ad esempio, Europa, Encelado, Titano e altri)? Secondo uno studio recente condotto da ricercatori della Johns Hopkins University, gli eventi di impatto su questi “Mondie Oceani” potrebbero aver contribuito significativamente alla chimica di superficie e subsuperficie che potrebbe aver portato all’emergere della vita.

Il team era guidato da Shannon M. MacKenzie, una scienziata planetaria, e dai suoi colleghi presso il Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL). Hanno collaborato con ricercatori della Thayer School of Engineering di Dartmouth, dell’Università di Western Ontario, della School of Earth and Planetary Sciences della Curtin University, del Planetary Habitability Laboratory (PHL) presso l’UPR di Arecibo, della Jacobs Technology, del Jet Propulsion Laboratory della NASA e dell’Astromaterials Research and Exploration Science (ARES) presso il NASA Johnson Space Center. L’articolo che dettaglia le loro scoperte è apparso di recente nel Planetary Science Journal.

Immagine di Voyager 1 di Valhalla, una struttura di impatto a più anelli con un diametro di 3.800 km. Credito: NASA/JPL

Esogenesi

Come indicato nel loro articolo, impatti da asteroidi, comete e grandi meteore sono più frequentemente associati a distruzione ed eventi di estinzione. Tuttavia, diverse linee di prova indicano che questi stessi tipi di impatti potrebbero aver supportato l’emergere della vita sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. Questi eventi non solo hanno fornito volatili (come acqua, ammoniaca e metano) e molecole organiche, ma la ricerca moderna indica che hanno anche creato nuovi substrati e composti essenziali per la vita.

Inoltre, hanno creato una varietà di ambienti che sono stati fondamentali per l’emergere e la sostentazione della vita sulla Terra. Come hanno scritto:

“I materiali consegnati esogenicamente sono stati stimati come una fonte importante di organici sulla Terra primordiale. Le onde d’urto potrebbero fornire l’energia per la sintesi organica di precursori importanti come HCN o aminoacidi. Il ferro e il calore derivanti da impattori molto grandi possono facilitare le condizioni atmosferiche riducenti necessarie per una produzione abbondante di HCN. Gli impatti fratturano e, in eventi tipicamente terrestri, fondono il bersaglio: substrati più permeabili e scavi di strati rocciosi più profondi promuovono l’attività idrotermale e gli habitat endolitici.”

Secondo le ultime prove fossili, le prime forme di vita emersero sulla Terra circa 4,28 miliardi di anni fa. Questi fossili sono stati recuperati da precipitazioni di idrotermali nella Nuvvuagittuq Greenstone Belt nel Quebec settentrionale, Canada, confermando che l’attività idrotermale ha svolto un ruolo fondamentale nell’emergere della vita sulla Terra. Ma cosa dire dei molti “Mondie Oceani” che risiedono nel Sistema Solare esterno? Questo include corpi come Europa, Ganimede, Encelado e Titano, così come le lune di Urano Ariel e Titania, la luna di Nettuno Tritone e corpi transnettuniani come Plutone, Caronte e possibilmente altri.

Mondi Oceani

Questo termine si riferisce a corpi composti prevalentemente da elementi volatili come l’acqua e differenziati tra una crosta ghiacciata e un nucleo roccioso e metallico. Al confine crosta-nucleo, la flessione mareale (risultato dell’interazione gravitazionale con un altro corpo) provoca un accumulo di calore e energia rilasciata tramite fumarole idrotermali nel ghiaccio. Ciò consente a questi mondi di mantenere oceani d’acqua liquida nei loro interni. In breve, questi mondi hanno tutti gli ingredienti necessari per la vita: acqua, i composti chimici necessari e energia.

Inoltre, i dati dalla missione Cassini-Huygens della NASA/ESA hanno confermato che i pennacchi che eruttano regolarmente dalla regione polare meridionale di Encelado contengono molecole organiche. Ultimo ma non meno importante, la presenza di crateri superficiali indica che questi corpi hanno subito impatti sulla superficie nel corso della loro storia. La domanda sorge naturalmente: potrebbero gli impatti aver consegnato i mattoni necessari della vita ai “Mondie Oceani” allo stesso modo in cui li hanno consegnati al Sistema Solare interno? E se sì, cosa significa questo sulla loro potenziale abitabilità oggi? Come ha scritto il team nel loro articolo:

“I processi di impatto sono probabilmente una parte importante delle risposte a queste domande, poiché gli impatti possono guidare lo scambio attraverso la crosta di ghiaccio—sia attraverso semina diretta che attraverso il drenaggio attraverso la crosta—e quindi guidare flussi episodici di materiali organici e inorganici dalla superficie e/o dall’impatto stesso. Gli impatti possono anche generare microcosmi effimeri: qualsiasi acqua liquida fusa durante l’impatto si congela su scale temporali commensurate con l’energia d’impatto.”

“Il potenziale entusiasmante per la chimica all’interno di queste tasche è stato stabilito, dalla concentrazione di sali alla sintesi di aminoacidi. Inoltre, la chimica indotta da shock di materiali congelati, talvolta ricchi di organici (soprattutto nel caso di Titano) potrebbe generare nuovi composti “semina” (ad es., aminoacidi o nucleotidi) nella pozza di fusione.”

Indagine

Il primo passo per MacKenzie e il suo team è stato indagare i livelli di shock iniziali creati dai più comuni impatti per i Mondi Oceani—comete che probabilmente hanno avuto origine dalla Fascia di Kuiper e dalla Nube di Oort. Per fare ciò, il team ha calcolato le velocità e la pressione massima che verrebbero raggiunte dagli impatti coinvolgendo corpi ghiacciati e rocciosi. Hanno anche considerato come questo varierebbe in base a diverse famiglie (impatto primario o secondario) e quali sistemi erano coinvolti – ovvero, Giove o Saturno. Mentre gli impatti primari coinvolgono comete o asteroidi, gli impatti secondari sono causati dagli ejecta che producono.

Nel caso dei sistemi di Giove e Saturno, gli impattatori secondari possono essere ghiacciati o rocciosi a seconda della loro origine (un corpo ghiacciato come Europa, Encelado e Titano, un corpo roccioso come Io e asteroidi più grandi). Mentre gli impatti primari hanno velocità più elevate e producono volumi di fusione maggiori, gli impatti secondari sono più frequenti. Per determinare le dimensioni della fusione, il team ha consultato le dimensioni dei crateri osservati su Europa, Encelado e Titano e modelli dinamici che calcolano il tasso cumulativo di cratere nel tempo. Hanno quindi confrontato le pressioni di picco al momento dell’impatto con le soglie per la sopravvivenza di elementi essenziali per la vita, molecole organiche, aminoacidi e persino microbi identificati in studi precedenti.

Tassi cumulativi di cratere assumendo impattatori cometari eliocentrici. Credito: Mackenzie, S.M. et al. (2024)

Da questo, hanno determinato che la maggior parte degli impatti su Europa e Encelado sperimenta pressioni di picco superiori a quelle che possono sopportare le spore batteriche. Tuttavia, hanno anche determinato che una quantità significativa di materiale riesce comunque a sopravvivere a questi impatti e che pressioni di primo contatto più elevate potrebbero facilitare anche la sintesi di composti organici nell’acqua di fusione che riempie i crateri. Nel frattempo, in media, Titano ed Encelado hanno subito impatti con velocità di impatto inferiori, creando pressioni di picco che rientrano nell’intervallo di tolleranza sia per le spore batteriche che per gli aminoacidi.

Il passo successivo è stato considerare quanto a lungo i crateri freschi sopravviverebbero e se questo sarebbe sufficiente per sintetizzare materiali biologici. Basandosi sulle dimensioni dei crateri osservati su Encelado ed Europa, hanno determinato che i crateri più longevi durano solo poche centinaia di anni, mentre Titano potrebbe impiegare secoli o decine di migliaia di anni per congelarsi. Mentre Europa ed Encelado subiscono più impatti ad alta velocità (a causa della densa atmosfera di Titano), la natura duratura dei crateri di Titano significa che tutti e tre i corpi hanno una possibilità di esperimenti di chimica organica.

Hanno anche considerato i tassi di resurfacing su Europa, Encelado e Titano e come questi cicli di materiale biologico ai loro interni. In tutti e tre i casi, i satelliti presentano terreni relativamente “giovani”, implicando eventi di resurfacing regolari.

Risultati

Basandosi su queste considerazioni, Mackenzie e il suo team hanno determinato che le fusioni prodotte dagli impatti di comete su Europa, Encelado e Titano sono state abbastanza frequenti e prolungate da essere di interesse astrobiologico. Tuttavia, questo varia in base alla composizione delle comete e al ghiaccio superficiale in questione. Come hanno riassunto:

“Su Europa ed Encelado, la sopravvivenza e la deposizione degli organici dell’impattore è più importante poiché ci sono meno organici superficiali all’interno della crosta di ghiaccio per seminare la pozza di fusione. Su Titano, la sopravvivenza di elementi come il fosforo potrebbe essere più importante. Pertanto, anche i piccoli eventi d’impatto, più frequenti, contribuiscono al potenziale astrobiologico fornendo composti meno modificati alla superficie che sono disponibili per una reazione immediata se viene prodotta fusione o per un’elaborazione futura (inclusi eventi d’impatto successivi).”

Produzione totale di fusione per crateri osservati su Encelado (ciano) e Titano (arancione), suddivisi per diametro del cratere osservato. Credito: Mackenzie, S.M. et al. (2024)

Ad esempio, hanno scoperto che una cometa che impatta Europa alla velocità media d’impatto creerebbe un cratere di 15 km e fornirebbe circa 1 km3 di acqua fusa. Basandosi sull’abbondanza di glicina (un aminoacido essenziale) trovata sulla cometa 67P Churyumov–Gerasimenko, hanno determinato che diverse parti per milione sopravviverebbero—circa tre ordini di grandezza superiori a quelle osservate formarsi attorno ai fumaioli idrotermali qui sulla Terra. “Pertanto, gli impattori seminano chemi…

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