La ricerca della vita oltre la Terra sta cavalcando un'ondata di creatività e innovazione. A seguito della corsa all'oro della scoperta di esopianeti negli ultimi due decenni, è tempo di affrontare il prossimo passo:determinare quali degli esopianeti conosciuti sono candidati adeguati per la vita.

Scienziati della NASA e di due università hanno presentato nuovi risultati dedicati a questo compito in campi che abbracciano l'astrofisica, Scienze della Terra, eliofisica e scienze planetarie, a dimostrazione di come un approccio interdisciplinare sia essenziale per trovare la vita su altri mondi, alla riunione autunnale dell'American Geophysical Union il 13 dicembre, 2017, a New Orleans, Louisiana.

"La proprietà immobiliare potenzialmente abitabile nell'universo si è notevolmente ampliata, " disse Giada Arney, un astrobiologo del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ora sappiamo di migliaia di esopianeti, ma quello che sappiamo su di loro è limitato perché non possiamo ancora vederli direttamente".

Attualmente, gli scienziati si affidano principalmente a metodi indiretti per identificare e studiare gli esopianeti; tali metodi possono dire loro se un pianeta è simile alla Terra o quanto è vicino alla sua stella madre. Ma questo non basta ancora per dire se un pianeta è veramente abitabile, o adatto alla vita, per questo, gli scienziati devono infine essere in grado di osservare direttamente gli esopianeti.

Sono in corso i progetti di strumenti e missioni per l'imaging diretto, ma nel frattempo, Arney ha spiegato, gli scienziati stanno facendo progressi con gli strumenti già a loro disposizione. Stanno costruendo modelli computazionali per simulare come potrebbero apparire i pianeti abitabili e come interagirebbero con le loro stelle madri. Per convalidare i loro modelli, stanno cercando pianeti all'interno del nostro sistema solare, come analoghi per gli esopianeti che un giorno potremmo scoprire. Questo, Certo, include la Terra stessa, il pianeta che conosciamo meglio, e l'unico che conosciamo ancora che è abitabile.

"Nella nostra ricerca della vita su altri mondi, è importante che gli scienziati considerino gli esopianeti da un senso olistico, cioè, dal punto di vista di più discipline, " ha detto Arney. "Abbiamo bisogno di questi studi multidisciplinari per esaminare gli esopianeti come mondi complessi modellati da molteplici astrofisici, processi planetari e stellari, piuttosto che solo punti lontani nel cielo."

Studiare la Terra come un esopianeta

Quando gli umani iniziano a raccogliere le prime immagini dirette degli esopianeti, anche l'immagine più vicina apparirà come una manciata di pixel. Cosa possiamo imparare sulla vita planetaria da un'infarinatura di pixel?

Stephen Kane, un esperto di pianeti extrasolari presso l'Università della California, lungo il fiume, ha escogitato un modo per rispondere a questa domanda utilizzando la fotocamera per immagini policromatiche della Terra della NASA a bordo del Deep Space Climate Observatory della National Oceanic and Atmospheric Administration, o DSCOVR. Kane ha spiegato che lui e i suoi colleghi prendono le immagini ad alta risoluzione di DSCOVR, in genere utilizzate per documentare i modelli meteorologici globali della Terra e altri eventi legati al clima, e le degradano a immagini di pochi pixel. Kane esegue le immagini DSCOVR attraverso un filtro antirumore che tenta di simulare l'interferenza prevista da una missione su un esopianeta.

"Da una manciata di pixel, cerchiamo di estrarre quante più informazioni possibili sulla Terra, " disse Kane. "Se possiamo farlo con precisione per la Terra, possiamo farlo per i pianeti intorno ad altre stelle."

DSCOVR scatta una foto ogni mezz'ora ed è in orbita da due anni. Sono più di 30, 000 immagini sono di gran lunga la registrazione continua più lunga di osservazioni dell'intero disco dallo spazio esistente. Osservando come cambia la luminosità della Terra quando si vede la maggior parte della terra rispetto alla maggior parte dell'acqua, Kane è stato in grado di decodificare l'albedo della Terra, obliquità, velocità di rotazione e persino variazione stagionale, qualcosa che deve ancora essere misurato direttamente per gli esopianeti, che potrebbero potenzialmente influenzare la capacità di un pianeta di supportare la vita.

Alla ricerca di altre veneri

Allo stesso modo in cui gli scienziati usano la Terra come caso di studio per i pianeti abitabili, usano anche i pianeti all'interno del sistema solare, e quindi i pianeti con cui hanno più familiarità, come studi per ciò che rende i pianeti inabitabili.

Kane studia anche il pianeta gemello della Terra, Venere, dove la superficie è a 850 gradi Fahrenheit e l'atmosfera, piena di acido solforico, si impantana sulla superficie con 90 volte la pressione della Terra. Poiché la Terra e Venere sono così vicine per dimensioni eppure così diverse in termini di prospettive di abitabilità, è interessato allo sviluppo di metodi per distinguere gli analoghi della Terra e di Venere in altri sistemi planetari, come un modo per identificare pianeti terrestri potenzialmente abitabili.

Kane ha spiegato che lavora per identificare gli analoghi di Venere nei dati di Kepler della NASA definendo la "Zona di Venere, " dove l'insolazione planetaria - quanta luce un dato pianeta riceve dalla sua stella ospite - gioca un ruolo chiave nell'erosione atmosferica e nei cicli dei gas serra.

"Il destino della Terra e di Venere e delle loro atmosfere sono legati l'uno all'altro, " disse Kane. "Cercando pianeti simili, stiamo cercando di capire la loro evoluzione, e in definitiva quanto spesso i pianeti in via di sviluppo finiscono in un inferno simile a Venere".

Modellazione delle interazioni stella-pianeta

Mentre Kane parlava di pianeti, La scienziata spaziale di Goddard, Katherine Garcia-Sage, si è concentrata sul modo in cui i pianeti interagiscono con la loro stella ospite. Gli scienziati devono anche considerare come le qualità di una stella ospite e dell'ambiente elettromagnetico di un pianeta, che può proteggerlo dalle radiazioni stellari dure, ostacolano o aiutano l'abitabilità. Il campo magnetico terrestre, Per esempio, protegge l'atmosfera dal duro vento solare, l'emissione costante del Sole di materiale solare carico, che può rimuovere i gas atmosferici in un processo chiamato fuga ionosferica.

Garcia-Sage ha descritto la ricerca su Proxima b, un esopianeta che si trova a quattro anni luce di distanza e che si sa esistere all'interno della zona abitabile della sua stella nana rossa, Prossima Centauri. Ma solo perché si trova nella zona abitabile, la giusta distanza da una stella dove l'acqua potrebbe accumularsi sulla superficie di un pianeta, non significa necessariamente che sia abitabile.

Mentre gli scienziati non possono ancora dire se Proxima b è magnetizzato, possono usare modelli computazionali per simulare quanto bene un campo magnetico simile alla Terra proteggerebbe la sua atmosfera nell'orbita vicina dell'esopianeta a Proxima Centauri, che spesso produce violente tempeste stellari. Gli effetti di tali tempeste sull'ambiente spaziale di un determinato pianeta sono noti collettivamente come meteorologia spaziale.

"Dobbiamo capire l'ambiente meteorologico spaziale di un pianeta per capire se un pianeta è abitabile, " Garcia-Sage ha detto. "Se la stella è troppo attiva, può mettere in pericolo un'atmosfera, che è necessario per fornire acqua liquida. Ma c'è una linea sottile:c'è qualche indicazione che la radiazione di una stella può produrre mattoni per la vita".

Una stella nana rossa, uno dei tipi più comuni di stelle nella nostra galassia, come Proxima Centauri strappa via l'atmosfera quando le radiazioni ultraviolette estreme ionizzano i gas atmosferici, producendo una striscia di particelle caricate elettricamente che possono fluire nello spazio lungo le linee del campo magnetico.

Gli scienziati hanno calcolato quanta radiazione produce in media Proxima Centauri, sulla base delle osservazioni dell'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. All'orbita di Proxima b, gli scienziati hanno scoperto che il loro pianeta simile alla Terra ha incontrato attacchi di radiazioni ultraviolette estreme centinaia di volte maggiori di quelle che la Terra fa dal Sole.

Garcia-Sage e i suoi colleghi hanno progettato un modello al computer per studiare se un pianeta simile alla Terra, con l'atmosfera terrestre, campo magnetico e gravità:nell'orbita di Proxima b potrebbe trattenere la sua atmosfera. Hanno esaminato tre fattori che guidano la fuga ionosferica:radiazione stellare, temperatura dell'atmosfera neutra, e dimensione della calotta polare, la regione su cui avviene la fuga.

Gli scienziati mostrano che con le condizioni estreme che potrebbero esistere a Proxima b, il pianeta potrebbe perdere una quantità equivalente all'intera atmosfera terrestre in 100 milioni di anni, solo una frazione dei 4 miliardi di anni di Proxima b finora. Anche nella migliore delle ipotesi, che tanta massa sfugge in 2 miliardi di anni, ben all'interno della vita del pianeta.

Marte, un laboratorio per lo studio degli esopianeti

Mentre Garcia-Sage parlava di pianeti magnetizzati, Davide Cervello, scienziato planetario presso l'Università del Colorado, Masso, parlava di Marte, un pianeta senza campo magnetico.

"Marte è un grande laboratorio per pensare agli esopianeti, " ha detto Brain. "Possiamo usare Marte per aiutare a limitare il nostro pensiero su una varietà di esopianeti rocciosi in cui non abbiamo ancora osservazioni".

La ricerca di Brain utilizza le osservazioni di Mars Atmosphere e Volatile Evolution della NASA, o MAVEN, missione per porre la domanda:come si sarebbe evoluto Marte se fosse stato in orbita attorno a un diverso tipo di stella? La risposta fornisce informazioni su come i pianeti rocciosi, non diversamente dal nostro, potrebbero svilupparsi in modo diverso in situazioni diverse.

Si pensa che un tempo Marte portasse acqua e un'atmosfera che avrebbe potuto renderlo ospitale per la vita simile alla Terra. Ma Marte ha perso gran parte della sua atmosfera nel tempo attraverso una varietà di processi chimici e fisici:MAVEN ha osservato una perdita atmosferica simile sul pianeta dal suo lancio alla fine del 2013.

Cervello, un co-investigatore MAVEN, e i suoi colleghi hanno applicato le intuizioni di MAVEN a un'ipotetica simulazione di un pianeta simile a Marte in orbita attorno a una stella di classe M, comunemente nota come stella nana rossa. In questa situazione immaginaria, il pianeta riceverà da cinque a dieci volte più radiazioni ultraviolette rispetto al vero Marte, che a sua volta accelera la fuga atmosferica a tassi molto più elevati. I loro calcoli indicano che l'atmosfera del pianeta potrebbe perdere da tre a cinque volte più particelle cariche e da cinque a dieci volte più particelle neutre.

Un tale tasso di perdita atmosferica suggerisce che orbitando ai margini della zona abitabile di una tranquilla stella di classe M, invece del nostro sole, potrebbe accorciare il periodo abitabile del pianeta di un fattore da cinque a 20 circa.

"Ma non rinuncerei alla speranza di pianeti rocciosi in orbita attorno a nane M, " Brain ha detto. "Abbiamo scelto uno scenario peggiore. Marte è un piccolo pianeta, e manca di un campo magnetico, quindi il vento solare può rimuovere più efficacemente la sua atmosfera. Abbiamo anche scelto un Marte che non è geologicamente attivo, quindi non c'è una fonte interna di atmosfera. Se hai cambiato un fattore, un pianeta del genere potrebbe essere un posto più felice."

Ognuno di questi studi contribuisce con un solo pezzo a un puzzle molto più grande:determinare quali caratteristiche dovremmo cercare, e bisogno di riconoscere, nella ricerca di un pianeta che possa sostenere la vita. Insieme, tale ricerca interdisciplinare pone le basi per garantire che, man mano che vengono sviluppate nuove missioni per osservare più chiaramente gli esopianeti, saremo pronti a determinare se potrebbero semplicemente ospitare la vita.