Una recente ricerca ha simulato le possibili tipologie di ambienti degli esopianeti simili alla Terra per aiutare gli astronomi a capire come potrebbero apparire e come l’acqua e il ghiaccio vengano distribuiti sulla loro superficie.

Il numero di esopianeti scoperti sta aumentando in modo considerevole, nei tre decenni trascorsi dal primo pianeta confermato in orbita attorno a un’altra stella, gli scienziati ne hanno catalogati più di 4000. Man mano che l’elenco aumenta, cresce anche il desiderio di trovare esopianeti simili alla Terra e di determinare se potrebbero essere oasi in grado di sostenere la vita come il nostro globo.

I prossimi decenni dovrebbero vedere il lancio di nuove missioni in grado di raccogliere quantità sempre maggiori di dati sugli esopianeti. Anticipando questi sforzi futuri, un team dell’Università di Washington e dell’Università di Berna ha simulato le casistiche di più di 200.000 ipotetici mondi simili alla Terra – pianeti che hanno le stesse dimensioni, massa, composizione atmosferica e geografia della Terra moderna – tutti in orbita di stelle simili al nostro sole. Il loro obiettivo è quello creare modelli delle tipologie di ambienti che gli astronomi potrebbero aspettarsi di trovare su veri esopianeti simili alla Terra.

Esopianeti
Rappresentazione artistica di Kepler-186f, un esopianeta delle dimensioni della Terra, che mostra una superficie ipotetica che include una parziale copertura di ghiaccio ai poli. Credit: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

Niente calotte polari

Ma su questi esopianeti simulati è risultato mancare spesso una caratteristica comune alla nostra Terra: la copertura parziale di ghiaccio. Simulando il clima della Terra su mondi in orbita attorno a vari tipi di stelle si è scoperto che nel 90% dei casi con acqua liquida in superficie non sono presenti calotte glaciali, come le nostre calotte polari. Quando il ghiaccio è presente vi è più probabilità di trovare “cinture di ghiaccio” – del ghiaccio permanente lungo l’equatore – piuttosto delle calotte presenti ai poli.

Questi risultati fanno luce sulla complessa interazione tra acqua liquida e ghiaccio su mondi simili alla Terra, poiché osservare la presenza e distribuzione del ghiaccio su un pianeta simile alla Terra può dirti molto sul fatto che sia abitabile e la ricerca mira a capire tutti i parametri come la forma dell’orbita, l’inclinazione assiale, o il tipo di stella che possono influire sulla presenza di ghiaccio sulla superficie e, in tal affermativo, in quale luogo.

Il team ha utilizzato un modello di bilancio energetico che imita il flusso di energia tra l’equatore e i poli di un pianeta per simulare il clima su migliaia di ipotetici esopianeti in varie configurazioni orbitali attorno a stelle di tipo F, G o K (le stelle di tipo F sono un po’ più calde e più grandi del nostro sole mentre quelle di tipo K sono leggermente più fredde e più piccole). Queste classi di stelle, che includono il nostro sole di tipo G, sono candidati promettenti per ospitare mondi favorevoli alla vita nelle loro fasce di abitabilità, detta anche  “fascia riccioli d’oro”.

Nelle simulazioni le orbite degli esopianeti variavano da circolari a ovali pronunciate. Il team ha anche preso in considerazione le inclinazioni assiali che vanno da 0 a 90°, per esempio l’inclinazione assiale della Terra è di 23,5°. Un pianeta con un’inclinazione di 90° sarebbe come “seduto su un lato” e sperimenterebbe variazioni stagionali estreme del clima, proprio come avviene sul pianeta Urano.

Secondo le simulazioni, che comprendono un arco temporale di 1 milione di anni per ogni pianeta, i mondi simili alla Terra hanno mostrato climi che andavano dalla classica “palla di neve” – con il ghiaccio presente a tutte le latitudini – a una “serra umida” molto simile al clima di Venere prima che l’effetto serra incontrollato rendesse la sua superficie così calda da fondere il piombo. Ma anche se la maggior parte degli ambienti previsti nelle simulazioni si trovava tra questi estremi, il ghiaccio superficiale parziale è risultato presente solo sul 10% circa degli ipotetici esopianeti abitabili.

Il modello ha incluso variazioni naturali nel tempo nell’inclinazione assiale e nell’orbita di ogni pianeta, il che spiega in parte la generale mancanza di ghiaccio sugli esopianeti abitabili: sulla Terra queste variazioni sono chiamate cicli di Milankovitch e sono di ampiezza molto piccola. Ma per gli esopianeti, questi cambiamenti possono essere piuttosto grandi e possono eliminare del tutto il ghiaccio o innescare vere e proprie valanghe di neve.

Un’immagine composita della calotta glaciale che copre la regione artica della Terra, incluso il Polo Nord, ripresa dal satellite in orbita polare NOAA-20. Credit: NOAA

Quando il ghiaccio è presente in modo parziale, la sua distribuzione varia in base al tipo di stella. Intorno alle stelle di tipo F, le calotte polari – come quelle terrestri – sono state trovate tre volte più spesso delle cinture di ghiaccio, mentre le cinture di ghiaccio si sono riscontrate il doppio delle calotte nei pianeti intorno alle stelle di tipo G e K. Le cinture di ghiaccio sono anche più comuni su pianeti con inclinazioni assiali estreme, probabilmente perché gli estremi stagionali mantengono i climi polari più volatili delle regioni equatoriali.

Il ghiaccio superficiale è molto riflettente e può modellare il modo in cui un esopianeta ‘appare’ attraverso i nostri strumenti. La presenza o meno del ghiaccio può anche modellare il modo in cui un clima cambierà a lungo termine, sia che arrivi a livelli estremi sia con qualcosa di più moderato.

Tuttavia, il solo ghiaccio o la sua totale assenza non ne determina l’abitabilità.

Il nostro pianeta ha vissuto alcuni di queste situazioni estreme durante la sua storia, la speranza è che questo studio getti le basi delle prossime missioni alla ricerca di tracce di abitabilità nelle atmosfere degli esopianeti – forse arrivando a visualizzare come potrebbero essere – mostrando ciò che è possibile, ciò che è comune e ciò che invece è raro.

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