Tra le categorie di esopianeti conosciuti le Super-Terre sono quelli ritenuti più simili a ospitare le condizioni per la vita così come la conosciamo.

La struttura del nostro pianeta Terra è abbastanza nota: sappiamo che ha sia un nucleo interno che un nucleo esterno e che l’agitazione e la rotazione creano una magnetosfera che protegge la vita dal potere radiativo del Sole. Possiede un mantello, principalmente solido ma anche sede di magma, e sappiamo che ha una crosta, sulla quale viviamo, e una tettonica a zolle che muove i continenti come giocattoli. Ma cosa possiamo dire delle Super-Terre, un tipo particolare di esopianeti a oggi scoperti?
La struttura della Terra, e la sua capacità di sostenere la vita, sono modellate dall’estrema pressione e densità al suo interno. La pressione e la temperatura all’interno delle Super-Terre sono ancora più potenti. Quindi in che modo questi pianeti vengono modellati e sono influenzati nella loro abitabilità?

Le Super-Terre

Le Super-Terre sono pianeti più massicci della Terra ma non così massicci come i pianeti giganti di ghiaccio del nostro Sistema Solare, Urano e Nettuno. Urano e Nettuno sono tra le 14,5 e 17 volte più massicci della Terra. In generale, una Super-Terra è circa dalle due alle dieci volte più massiccia della Terra. Non ci sono definizioni definitive per le Super-Terre e diverse fonti utilizzano categorie di massa differenti.

Dei quasi 5.000 esopianeti confermati la NASA ne ha definiti 1539 come Super-Terre, e molte sono ospitate in stelle a noi relativamente vicine. Le Super-Terre sono definite dalle loro masse, non dalla loro composizione o da altre caratteristiche. Esistono diverse classificazioni per le Super-Terre in base alla loro densità e composizione, ma molte di esse hanno densità simili alla Terra e sono probabilmente simili anche nella composizione.

Struttura interna della Terra
Raffronto tra la struttura interna della Terra, di una Super-Terra rocciosa e di un pianeta oceanico. Credit: Henrykus (Public Domain)

Un team di ricercatori della Carnegie University ha studiato l’effetto di pressione e temperatura estrema sui minerali presenti all’interno delle Super-Terre con esperimenti di laboratorio per ricreare i loro mantelli.

Le dinamiche interne della Terra supportano la vita in diversi modi. La magnetosfera generata dal nucleo è a senso unico e spinge la radiazione solare dannosa lontano dalla superficie del pianeta impendendo al vento solare di strappare via l’atmosfera. Sulla Terra, la tettonica a placche e la convezione del mantello hanno un effetto termostatico sul clima. I vulcani rilasciano materiale riscaldato e CO2 nell’atmosfera terrestre, impedendo che la Terra diventi troppo fredda.
Gli stessi processi regolano la quantità di CO2 subducendo i carbonati nella roccia con l’aiuto delle piogge. La tettonica delle placche crea anche la complessa chimica necessaria per la vita. Quindi gli scienziati pensano che la tettonica delle placche e la convezione del mantello svolgano un ruolo fondamentale nell’aspetto della vita e nell’abitabilità continua della Terra.

Ma in che modo le condizioni estreme presenti all’interno di una Super-Terra influiscono sulla sua abitabilità?

Super-Terra Kepler 22b
Rappresentazione artistica della Super-Terra Kepler 22b. Credit: NASA/Ames/JPL-Caltech

L’interno di una Super-Terra

Le dinamiche interne del nostro pianeta sono fondamentali per mantenere un ambiente superficiale in cui la vita può prosperare, guidando la geodinamo che crea il nostro campo magnetico e modellando la composizione della nostra atmosfera. E le condizioni che si trovano nelle profondità di esopianeti giganti e rocciosi come le super-Terre sarebbero ancora più estreme.

I minerali di silicato costituiscono la maggior parte della crosta terrestre. L’alta temperatura e la pressione esercitata sui minerali di silicato creano confini tra il mantello superiore e inferiore nel profondo del nostro pianeta. Gli studi sugli esopianeti rocciosi mostrano che potrebbero anche avere croste di silicato con, più o meno, la stessa densità di quelle della Terra.

Poiché le Super-Terre possono essere molto più massicce della Terra, la temperatura e la pressione al loro interno sarebbero ancora più estreme perciò i ricercatori hanno sondato queste condizioni e l’effetto che hanno sui minerali di silicato per scoprire se sarebbero emersi nuovi tipi di silicati e se si sarebbero comportati diversamente.

In condizioni normali, la maggior parte dei silicati è organizzata secondo lo stesso orientamento, chiamato struttura tetraedrica: una struttura tetraedrica ha un atomo centrale legato con altri quattro atomi.

I silicati

La forsterite, è uno dei minerali di silicato più abbondanti nel mantello terrestre al di sopra dei 400 km ed è probabile che sia abbondante anche nelle Super-Terre rocciose.
I modelli hanno mostrato che nuove fasi dei silicati emergono a temperature e pressioni estreme all’interno delle Super-Terre, ma non c’è modo di osservarle e replicarle strumentalmente. I calcoli mostrano che sono necessari circa 490 gigapascal (GPa) di pressione per far emergere nuove fasi di silicato.

Fortunatamente, gli scienziati hanno potuto utilizzare un analogo per i silicati che risponde allo stesso modo ma a temperature e pressioni meno estreme: il germanio.

Il team di ricerca ha utilizzato un’incudine diamantata per sottoporre i campioni di germanio a pressioni estreme e li ha riscaldati con un laser. Il germanato di magnesio è stato così esposto a due milioni di volte la normale pressione atmosferica terrestre che ha mostrato l’emergere di una nuova struttura cristallina. A 2 milioni di atmosfere, l’atomo di germanio centrale si è legato con otto atomi di ossigeno invece di quattro. Il nuovo minerale è stato chiamato “minerale a otto coordinate intrinsecamente discorde” e potrebbe influenzare sostanzialmente la temperatura interna e la dinamica delle Super-Terre. Il germanato è infatti un analogo del silicato.
Quindi gli scienziati si aspettano di vedere una fase di silicato a otto coordinate nel mantello profondo di grandi pianeti super-terrestri che suggerisce la presenza di una struttura cristallina più stretta e densa.

Ssopianeta K2-18b
Rappresentazione aristica dell’esopianeta K2-18b con la sua stella ospitante e un altro pianeta del sistema. K2-18b è a oggi l’unico esopianeta conosciuto per avere sia acqua che una temperatura superficiale adatta alla vita. Credit: ESA/Hubble, M. Kornmesser

L’abitabilità di una Super-Terra

In che modo questo potrebbe influenzare la potenziale abitabilità delle Super-Terre?

La struttura interna della Terra gioca un ruolo considerevole nel mantenimento dell’abitabilità, lo stesso deve quindi valere anche per le Super-Terre.

Purtroppo non si sa molto sulla geologia dei grandi esopianeti e lo studio svolto è ancora preliminare. Saranno necessari ulteriori lavori per comprendere l’effetto di queste nuove strutture sulle proprietà termodinamiche e geologiche ma, cosa interessante, la struttura di questo nuovo minerale è disordinata. Ciò suggerisce che, in condizioni così estreme, i materiali possono comportarsi in modo molto diverso e subire una maggiore miscelazione chimica.

Precedenti studi sulle Super-Terre hanno prodotto risultati diversi.
Alcune ricerche hanno mostrato che le Super-Terre hanno un’attività geologica molto più potente della Terra: le placche sarebbero più sottili e sottoposte a più stress e la tettonica delle placche sarebbe più vigorosa. Altre ricerche hanno invece osservato che le Super-Terre potrebbero avere croste molto più forti che inibiscono la tettonica a placche. E non c’è un accordo diffuso tra gli scienziati sul fatto che la tettonica a zolle sia necessaria per la vita.

Perché è così importante comprendere gli esopianeti

Sfortunatamente, non siamo affatto vicini alla totale comprensione della struttura interna e delle dinamiche di esopianeti lontani. Più vicino a noi, il lander InSight sta raccogliendo dati sull’interno di Marte che ci forniranno un altro set di dati sugli interni dei pianeti poichè non siamo neanche lontanamente vicini a una comprensione completa degli interni dei nostri vicini planetari.

Tuttavia, ciò non significa che non ci siano progressi da fare.

La comprensione degli interni degli esopianeti si basa principalmente su esperimenti di laboratorio e calcoli teorici. Questo è un settore in cui è richiesto molto lavoro collaborativo tra geoscienziati, astrofisici e chimici. Con più esperimenti e modelli, dovrebbe essere possibile ottenere un quadro più chiaro di questi interni planetari e questi aumenteranno soltanto grazie alla scoperta di nuovi esopianeti.

Riferimenti:

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