Un nuovo studio ha evidenziato come la presenza di carbonio, grazie alla linea della fuliggine, può cambiare la valutazione dell’abitabilità di un esopianeta.
La zona abitabile è la regione attorno a una stella in cui i pianeti possono mantenere acqua liquida sulla loro superficie. I pianeti con acqua liquida sono i posti migliori in cui cercare la vita, e gli astronomi concentrano la loro ricerca su quella zona poiché senza acqua non può esserci vita. Una nuova ricerca ha però suggerito come anche la “linea della fuliggine” potrebbe indicare nuovi esopianeti abitabili. La Terra infatti, sebbene sia coperta per 2/3 da oceani, è considerata un pianeta povero di acqua. Il nostro pianeta contiene solo circa lo 0,1% di acqua nella sua massa che è fondamentale per la vita. Ma anche il carbonio è un elemento senza il quale la vita così come la conosciamo non potrebbe svilupparsi. Il carbonio è unico nella sua capacità di formare composti diversi e polimeri a temperature terrestri, e il secondo elemento più abbondante nel corpo umano dopo l’ossigeno.
Tuttavia, solo lo 0,024% della crosta terrestre è fatta di carbonio perché il pianeta si è formato all’interno della “linea di fuliggine del Sistema Solare”, dove il carbonio è meno abbondante. Ma cosa potrebbe accadere all’abitabilità se gli esopianeti fuligginosi, che si formano al di fuori della linea di un sistema stellare, contenessero molto più carbonio?
La linea della fuliggine
La ricerca di esopianeti abitabili si concentra sull’acqua e anche su esopianeti che si sono formati in modo simile al nostro. I pianeti si formano in dischi protoplanetari che ruotano attorno a giovani stelle e quelle stelle hanno un enorme effetto sulla natura dei materiali nel disco, incluso il carbonio.
Il calore del Sole definisce diverse linee della neve a diverse distanze da esso e ognuna è rilevante per un diverso elemento volatile. Al di fuori di una particolare linea di gelo, la pressione e la temperatura costringono un particolare elemento a rimanere solido, mentre all’interno di quella linea lo stesso può sublimare in vapore.
La linea della fuliggine è simile a una linea della neve ma riguarda la presenza del carbonio, altro elemento fondamentale per la vita. È la distanza da una stella dove non c’è abbastanza calore per vaporizzare il carbonio nelle molecole che così rimane solido. Poiché è solido, è più facilmente disponibile per la formazione dei pianeti, quindi i pianeti che si formano al di fuori della linea della fuliggine dovrebbero essere più ricchi di carbonio rispetto alla Terra. Se la Terra si fosse formata all’interno della linea di fuliggine, il calore del giovane Sole avrebbe trasformato i composti ricchi di carbonio in gas, disperdendoli.
Quando si tratta di pianeti, zona di abitabilità e linee della neve, l’acqua e il monossido di carbonio (CO) sono di primaria importanza per gli scienziati degli esopianeti. Questo perché gli scienziati pensano che questi due composti siano i principali vettori di ossigeno e carbonio, entrambi fondamentali per la vita. La linea della CO è più lontana dal Sole di decine di UA rispetto alla linea dell’acqua perché la CO congela a una temperatura molto più bassa. Ciò dovrebbe significare che i pianeti più vicini alle loro stelle, come la Terra, possiedono meno carbonio.
La maggior parte del carbonio è contenuta all’interno di CO, metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Ma recenti ricerche mostrano che la maggior parte del carbonio è trasportato da sostanze organiche refrattarie, che sono materiali con una temperatura di sublimazione molto elevata. Nel nuovo studio, queste sostanze organiche refrattarie sono parte della “fuliggine”.
La presenza del carbonio
La fuliggine può rimanere solida a temperature fino a 226° e quando raggiunge la temperatura di distruzione, si decompone in elementi più semplici e più volatili. Ciò significa che la loro vaporizzazione è irreversibile ed è ciò che porta alla linea di fuliggine in un disco protoplanetario.
La linea di fuliggine è vicina alla stella e all’interno il carbonio refrattario è assente, ma al di fuori è disponibile. Il carbonio può però essere un elemento complesso: una proprietà unica della linea di fuliggine è che qualsiasi carbonio contenuto nel vapore che si mescola verso l’esterno rimane nel gas e non si congela di nuovo come previsto attorno alle linee della neve tradizionali. Quindi, i pianeti che si formano al di fuori della linea di fuliggine possono essere ricchi di carbonio.
Ma i pianeti possono perdere carbonio mentre si stanno ancora formando. All’inizio di un disco protoplanetario, la temperatura può cambiare e questo può spingere la linea di fuliggine più lontano dalla stella. La presenza a basse emissioni di carbonio sulla Terra può riflettere il fatto che il nostro pianeta ha raccolto gran parte del materiale durante questa fase.
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La linea della fuliggine porta una nuova complessità nella nostra comprensione e ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili e il nuovo studio mostra come le ipotesi che prendono in considerazione la sola linea della neve potrebbero essere un po’ troppo semplici. Essa infatti è più vicina alla stella ospite rispetto alla linea della neve e si sovrappone alla posizione della maggior parte degli esopianeti rilevati. La regione al di fuori della linea di fuliggine potrebbe includere pianeti con più carbonio della Terra, e ciò solleva interrogativi sull’abitabilità dei pianeti che si formano al di fuori di essa.
Il nostro Sistema Sola non ha un pianeta ricco di carbonio che si è formato tra la linea della fuliggine e la linea della neve, ma altri sistemi potrebbero averlo. Sfortunatamente, non abbiamo modo di identificare direttamente questi pianeti con la tecnologia attuale. Quindi i ricercatori si sono rivolti ai modelli di formazione planetaria.
Carbonio, foschia e abitabilità
Strane cose sono successe all’interno della linea della fuliggine quando il team di ricercatori ha lavorato con modelli di formazione planetaria. Hanno modellato mondi ricchi di silicati (la Terra è ricca di silicati) con lo 0,1% e l’1,0% di carbonio in massa che si forma all’interno della linea di fuliggine e variato il contenuto di acqua. Hanno così scoperto che il degassamento su questi pianeti crea un’atmosfera ricca di metano (CH4). Nel nostro Sistema Solare, i pianeti interni sono poveri di metano e i pianeti esterni ne sono ricchi, con la sola eccezione della Terra.
Un’atmosfera ricca di metano offre l’opportunità di formare foschie attraverso le interazioni con i protoni del Sole. Possiamo vederlo accadere su Titano, luna di Saturno, un mondo ricco di metano con metano liquido sulla sua superficie.
I pianeti che nascono all’interno di questa regione, che esiste in ogni sistema di dischi planetari, rilasceranno più carbonio volatile dai loro mantelli. Questo potrebbe facilmente portare alla produzione naturale di nebbie. Tali nebbie sono state osservate nelle atmosfere degli esopianeti e hanno il potenziale per cambiare i pianeti che possiamo definire abitabili.
La foschia è un segnale che un esopianeta contiene una quantità significativa di carbonio volatile nel suo mantello. Poiché il carbonio è la spina dorsale della vita, l’abbondanza di carbonio dovrebbe influire sulla sua potenziale abitabilità. I pianeti con foschia e ricchi di carbonio che si formano tra la linea della fuliggine e la linea della neve potrebbe essere una classe di esopianeti completamente nuova.
Gli astronomi hanno rilevato pianeti con queste caratteristiche nebbie e potrebbero facilmente essere un sottoprodotto della nascita tra le linee di fuliggine e neve. Con l’avvento del James Webb Space Telescope, gli scienziati degli esopianeti sono pronti a consolidare la loro comprensione di queste nebbie e di cosa potrebbero significare per il contenuto di carbonio e l’abitabilità. La presenza o la mancanza di nebbie nelle atmosfere delle super-terre o dei nettuniani può permetterci di discernere se si sono formate da materiali locali o più vicino alla linea della neve e poi sono migrati verso l’interno.
Per i pianeti delle dimensioni della Terra, gli astronomi hanno ancora bisogno di modelli migliori per la loro evoluzione. La Terra, povera di carbonio e acqua, è ricca di vita. I pianeti terrestri con molto più carbonio della Terra potrebbero generare vita diversa seguendo un evoluzione differente?
È noto che esistono esopianeti ricchi di carbonio. WASP 12-b ha un rapporto carbonio/ossigeno molto più alto di quello terrestre. 55 Cancri e può contenere un terzo di carbonio, rispetto allo 0,024% della Terra e potrebbe essere un noto esempio del teorico Carbon Planet, ovvero un pianeta con più carbonio che ossigeno. Continuando ad osservare le atmosfere dei pianeti grazie a telescopi come il JWST, gli astronomi avranno in futuro maggiori dati per mettere in correlazione la linea della fuliggine, il carbonio e gli altri elementi così da avere dei parametri di valutazione dell’abitabilità sempre più affidabili.
Riferimenti: Universe Today, The Astrophisical Journal Letters
