La ricerca della vita oltre la Terra inizia nelle zone abitabili, le regioni intorno alle stelle in cui le condizioni potrebbero potenzialmente consentire all'acqua liquida, essenziale per la vita come la conosciamo, di accumularsi sulla superficie di un pianeta. Una nuova ricerca della NASA suggerisce che alcune di queste zone potrebbero non essere effettivamente in grado di sostenere la vita a causa di frequenti eruzioni stellari - che emettono enormi quantità di materiale stellare e radiazioni nello spazio - da giovani stelle nane rosse.

Ora, un team interdisciplinare di scienziati della NASA vuole espandere il modo in cui vengono definite le zone abitabili, tenendo conto dell'impatto dell'attività stellare, che può minacciare l'atmosfera di un esopianeta con la perdita di ossigeno. Questa ricerca è stata pubblicata su Lettere per riviste astrofisiche il 6 febbraio 2017.

"Se vogliamo trovare un pianeta extrasolare in grado di sviluppare e sostenere la vita, dobbiamo capire quali stelle sono i migliori genitori, " disse Vladimir Airapetian, autore principale dell'articolo e scienziato solare presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ci stiamo avvicinando alla comprensione del tipo di stelle genitori di cui abbiamo bisogno".

Per determinare la zona abitabile di una stella, gli scienziati hanno tradizionalmente considerato quanto calore e luce emette la stella. Le stelle più massicce del nostro sole producono più calore e luce, quindi la zona abitabile deve essere più lontana. Più piccoli, le stelle più fredde producono zone abitabili vicine.

Ma insieme al calore e alla luce visibile, le stelle emettono raggi X e radiazioni ultraviolette, e producono eruzioni stellari come brillamenti ed espulsioni di massa coronale, chiamate collettivamente meteorologia spaziale. Un possibile effetto di questa radiazione è l'erosione atmosferica, in cui le particelle ad alta energia trascinano le molecole atmosferiche - come idrogeno e ossigeno, i due ingredienti per l'acqua – fuori nello spazio. Il nuovo modello di Airapetian e del suo team per le zone abitabili ora tiene conto di questo effetto.

La ricerca di pianeti abitabili spesso si concentra sulle nane rosse, perché questi sono i più belli, le stelle più piccole e numerose dell'universo – e quindi relativamente suscettibili di rilevamento di piccoli pianeti.

"Sul lato negativo, le nane rosse sono anche soggette a eruzioni stellari più frequenti e potenti del sole, " disse Guglielmo Danchi, un astronomo di Goddard e coautore dell'articolo. "Per valutare l'abitabilità dei pianeti intorno a queste stelle, dobbiamo capire come si bilanciano questi vari effetti".

Un altro importante fattore di abitabilità è l'età di una stella, dicono gli scienziati, sulla base delle osservazioni che hanno raccolto dalla missione Kepler della NASA. Ogni giorno, le giovani stelle producono superflare, potenti brillamenti ed eruzioni almeno 10 volte più potenti di quelli osservati sul sole. Sul loro più vecchio, controparti mature che assomigliano al nostro sole di mezza età di oggi, tali superflare vengono osservati solo una volta ogni 100 anni.

"Quando osserviamo le giovani nane rosse nella nostra galassia, vediamo che sono molto meno luminosi del nostro sole oggi, " Disse Airapetiian. "Secondo la definizione classica, la zona abitabile intorno alle nane rosse deve essere da 10 a 20 volte più vicina di quanto lo sia la Terra al sole. Ora sappiamo che queste stelle nane rosse generano molti raggi X ed emissioni ultraviolette estreme nelle zone abitabili degli esopianeti attraverso frequenti brillamenti e tempeste stellari".

I superflare causano l'erosione atmosferica quando i raggi X ad alta energia e le emissioni ultraviolette estreme prima rompono le molecole in atomi e poi ionizzano i gas atmosferici. Durante la ionizzazione, la radiazione colpisce gli atomi e fa cadere gli elettroni. Gli elettroni sono molto più leggeri degli ioni appena formati, così sfuggono alla forza di gravità molto più facilmente e corrono nello spazio.

Gli opposti si attraggono, così come vengono generati sempre più elettroni caricati negativamente, creano una potente separazione di carica che attira gli ioni caricati positivamente fuori dall'atmosfera in un processo chiamato fuga ionica.

"Sappiamo che la fuga di ioni ossigeno avviene sulla Terra su scala minore poiché il sole mostra solo una frazione dell'attività delle stelle più giovani, "ha detto Alex Glocer, un astrofisico di Goddard e coautore dell'articolo. "Per vedere come questo effetto si ridimensiona quando ricevi più input ad alta energia come vedresti da giovani stelle, abbiamo sviluppato un modello".

Il modello stima la fuga di ossigeno sui pianeti intorno alle nane rosse, supponendo che non compensino con l'attività vulcanica o il bombardamento di comete. Vari modelli precedenti di erosione atmosferica indicavano che l'idrogeno è più vulnerabile alla fuga di ioni. Come l'elemento più leggero, l'idrogeno fugge facilmente nello spazio, presumibilmente lasciando dietro di sé un'atmosfera ricca di elementi più pesanti come ossigeno e azoto.

Ma quando gli scienziati hanno tenuto conto dei superflare, il loro nuovo modello indica che le violente tempeste di giovani nane rosse generano abbastanza radiazioni ad alta energia da consentire la fuoriuscita anche di ossigeno e azoto, elementi costitutivi delle molecole essenziali per la vita.

"Più raggi X ed estrema energia ultravioletta c'è, più elettroni vengono generati e più forte diventa l'effetto di fuga ionica, " ha detto Glocer. "Questo effetto è molto sensibile alla quantità di energia emessa dalla stella, il che significa che deve svolgere un ruolo importante nel determinare cosa è e cosa non è un pianeta abitabile".

Considerando la sola fuga di ossigeno, il modello stima che una giovane nana rossa potrebbe rendere inabitabile un esopianeta ravvicinato entro poche decine o cento milioni di anni. La perdita sia di idrogeno atmosferico che di ossigeno ridurrebbe ed eliminerebbe l'approvvigionamento idrico del pianeta prima che la vita abbia la possibilità di svilupparsi.

"I risultati di questo lavoro potrebbero avere profonde implicazioni per la chimica atmosferica di questi mondi, " disse Shawn Domagal-Goldman, uno scienziato spaziale Goddard non coinvolto nello studio. "The team's conclusions will impact our ongoing studies of missions that would search for signs of life in the chemical composition of those atmospheres."

Modeling the oxygen loss rate is the first step in the team's efforts to expand the classical definition of habitability into what they call space weather-affected habitable zones. When exoplanets orbit a mature star with a mild space weather environment, the classical definition is sufficient. When the host star exhibits X-ray and extreme ultraviolet levels greater than seven to 10 times the average emissions from our sun, then the new definition applies. The team's future work will include modeling nitrogen escape, which may be comparable to oxygen escape since nitrogen is just slightly lighter than oxygen.

The new habitability model has implications for the recently discovered planet orbiting the red dwarf Proxima Centauri, our nearest stellar neighbor. Airapetian and his team applied their model to the roughly Earth-sized planet, dubbed Proxima b, which orbits Proxima Centauri 20 times closer than Earth is to the sun.

Considering the host star's age and the planet's proximity to its host star, the scientists expect that Proxima b is subjected to torrents of X-ray and extreme ultraviolet radiation from superflares occurring roughly every two hours. They estimate oxygen would escape Proxima b's atmosphere in 10 million years. Inoltre, intense magnetic activity and stellar wind – the continuous flow of charged particles from a star – exacerbate already harsh space weather conditions. The scientists concluded that it's quite unlikely Proxima b is habitable.

"We have pessimistic results for planets around young red dwarfs in this study, but we also have a better understanding of which stars have good prospects for habitability, " Airapetian said. "As we learn more about what we need from a host star, it seems more and more that our sun is just one of those perfect parent stars, to have supported life on Earth."