Non è esagerato affermare che lo studio dei pianeti extrasolari è esploso negli ultimi decenni. Ad oggi, 4, 375 esopianeti sono stati confermati in 3, 247 sistemi, con altri 5, 856 candidati in attesa di conferma. Negli ultimi anni, gli studi sugli esopianeti hanno iniziato a passare dal processo di scoperta a quello di caratterizzazione. Si prevede che questo processo accelererà una volta che i telescopi di prossima generazione saranno operativi.

Di conseguenza, gli astrobiologi stanno lavorando per creare elenchi completi di potenziali "firme biologiche, " che si riferisce a composti chimici e processi associati alla vita (ossigeno, diossido di carbonio, acqua, ecc.) Ma secondo una nuova ricerca di un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT), un'altra potenziale biofirma che dovremmo cercare è un idrocarburo chiamato isoprene (C ₅ h ₈ ).

Lo studio che descrive i loro risultati, "Valutazione dell'isoprene come possibile gas di biofirma negli esopianeti con atmosfere anossiche, " recentemente apparso online ed è stato accettato per la pubblicazione dalla rivista Astrobiologia . Per il loro studio, il team del MIT ha esaminato l'elenco crescente di possibili biofirme che gli astronomi saranno alla ricerca nei prossimi anni.

Ad oggi, la stragrande maggioranza degli esopianeti è stata rilevata e confermata utilizzando metodi indiretti. Per la maggior parte, gli astronomi si sono affidati al metodo del transito (fotometria di transito) e al metodo della velocità radiale (spettroscopia Doppler), da soli o in combinazione. Solo alcuni sono stati rilevabili utilizzando l'imaging diretto, il che rende molto difficile caratterizzare le atmosfere e le superfici degli esopianeti.

Solo in rare occasioni gli astronomi sono stati in grado di ottenere spettri che hanno permesso loro di determinare la composizione chimica dell'atmosfera di quel pianeta. Questo era il risultato della luce che passava attraverso l'atmosfera di un esopianeta mentre transitava davanti alla sua stella o nei pochi casi in cui si verificava l'imaging diretto e si poteva studiare la luce riflessa dall'atmosfera dell'esopianeta.

Molto di questo ha avuto a che fare con i limiti dei nostri attuali telescopi, che non hanno la risoluzione necessaria per osservare più piccoli, pianeti rocciosi che orbitano più vicini alla loro stella. Astronomi e astrobiologi ritengono che siano questi pianeti che hanno maggiori probabilità di essere potenzialmente abitabili, ma qualsiasi luce riflessa dalle loro superfici e atmosfere è sopraffatta dalla luce proveniente dalle loro stelle.

Però, questo cambierà non appena gli strumenti di prossima generazione come il James Webb Space Telescope (JWST) prenderanno lo spazio. Sara Seager, la classe del 1941 Professore di Fisica e Scienze Planetarie al MIT, guida il gruppo di ricerca responsabile (noto anche come Seager Group) ed è stato coautore del documento. Come ha detto a Universe Today via e-mail:

"Con il prossimo lancio nell'ottobre 2021 del telescopio spaziale James Webb avremo la nostra prima capacità di cercare gas di biofirma, ma sarà difficile perché i segnali atmosferici del piccolo pianeta roccioso sono così deboli all'inizio. Con il JWST sul orizzonte il numero di persone che lavorano nel campo è cresciuto enormemente.Studi come questo escogitano nuovi potenziali gas di biofirma, e altri lavori che mostrano potenziali falsi positivi anche per gas come l'ossigeno".

Una volta implementato e operativo, il JWST sarà in grado di osservare il nostro universo a lunghezze d'onda maggiori (nel vicino e medio infrarosso) e con una sensibilità notevolmente migliorata. Il telescopio farà affidamento anche su una serie di spettrografi per ottenere dati sulla composizione, così come i coronografi per bloccare la luce oscura delle stelle madri. Questa tecnologia consentirà agli astronomi di caratterizzare le atmosfere dei pianeti rocciosi più piccoli.

A sua volta, questi dati consentiranno agli scienziati di porre vincoli molto più severi all'abitabilità di un esopianeta e potrebbero persino portare al rilevamento di biofirme note (e/o potenziali). Come notato, queste "firme biologiche" includono le indicazioni chimiche associate alla vita e al processo biologico, per non parlare dei tipi di condizioni che gli sono favorevoli.

Questi includono ossigeno gassoso (O ₂ ), essenziale per la maggior parte delle forme di vita sulla Terra ed è prodotto da organismi fotosintetici (piante, alberi, cianobatteri, eccetera.). Questi stessi organismi metabolizzano l'anidride carbonica (CO ₂ ), che la vita che metabolizza l'ossigeno emette come prodotto di scarto. C'è anche l'acqua (H ₂ o), che è essenziale per tutta la vita come la conosciamo, e metano (CH ₄ ), che viene emesso dalla materia organica in decomposizione.

Poiché si ritiene che l'attività vulcanica svolga un ruolo importante nell'abitabilità planetaria, i sottoprodotti chimici associati al vulcanismo-acido solfidrico (H ₂ S), anidride solforosa (SO ₂ ), monossido di carbonio (CO), gas idrogeno (H ₂ ), ecc. – sono considerate anche firme biologiche. A questo elenco, Zhan, Seager, ei loro colleghi hanno voluto aggiungere un'altra possibile biofirma:l'isoprene. Come ha spiegato Zhan a Universe Today via e-mail:

"Il nostro gruppo di ricerca al MIT si concentra sull'utilizzo di un approccio olistico per esplorare tutti i possibili gas come potenziali gas di biofirma. Il nostro lavoro precedente ha portato alla creazione del database di tutte le piccole molecole. Procediamo a filtrare il database ASM per identificare il gas di biofirma più plausibile candidati, uno dei quali è isoprene, utilizzando l'apprendimento automatico e gli approcci basati sui dati."

Come suo cugino metano, l'isoprene è una molecola di idrocarburo organico prodotta come metabolita secondario da varie specie qui sulla Terra. Oltre alle latifoglie, l'isoprene è prodotto anche da una vasta gamma di organismi evolutivamente lontani, come batteri, impianti, e animali. Come ha spiegato Seager, questo lo rende promettente come potenziale biofirma:

"L'isoprene è promettente perché è prodotto in vaste qualità dalla vita sulla Terra, tanto quanto la produzione di metano! Inoltre, un'enorme varietà di forme di vita (dai batteri alle piante e agli animali), quelli che sono evolutivamente distanti tra loro, produrre isoprene, suggerendo che potrebbe essere una sorta di elemento costitutivo chiave che la vita altrove potrebbe anche creare".

Mentre l'isoprene è abbondante quanto il metano qui sulla Terra, l'isoprene viene distrutto dall'interazione con l'ossigeno e i radicali contenenti ossigeno. Per questa ragione, Zhang, Seager, e il loro team ha scelto di concentrarsi sulle atmosfere anossiche. Si tratta di ambienti composti prevalentemente da H ₂ , CO ₂ , e azoto (N ₂ ), che è simile a ciò di cui era composta l'atmosfera primordiale della Terra.

Secondo le loro scoperte, un pianeta primordiale (dove la vita sta cominciando ad emergere) avrebbe abbondante isoprene nella sua atmosfera. Questo sarebbe stato il caso sulla Terra tra 4 e 2,5 miliardi di anni fa, quando gli organismi unicellulari erano l'unica vita e i cianobatteri fotosintetici stavano lentamente convertendo l'atmosfera terrestre in un'atmosfera ricca di ossigeno.

Entro 2,5 miliardi di anni fa, questo è culminato nel "Grande Evento di Ossigenazione" (GOE), che si è rivelato tossico per molti organismi (e metaboliti come l'isoprene). Fu anche durante questo periodo che iniziarono ad emergere forme di vita complesse (eucarioti e organismi multicellulari). Nel rispetto, l'isoprene potrebbe essere utilizzato per caratterizzare i pianeti che si trovano nel mezzo di un importante cambiamento evolutivo e gettare le basi per futuri phyla animali.

Ma come ha notato Zhang, prendere in giro questa potenziale biofirma sarà una sfida, anche per il JWST:

"Le avvertenze con l'isoprene come biomarcatore sono che:(1) per il rilevamento è necessario 10x-100x il tasso di produzione di isoprene della Terra; (2) Il rilevamento della caratteristica spettrale dell'isoprene nel vicino infrarosso può essere ostacolato dalla presenza di metano o altri idrocarburi. Unico il rilevamento dell'isoprene sarà difficile con JWST, poiché molte molecole di idrocarburi condividono caratteristiche spettrali simili nelle lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Ma i futuri telescopi che si concentrano sulla lunghezza d'onda dell'infrarosso medio saranno in grado di rilevare le caratteristiche spettrali dell'isoprene in modo univoco".

Oltre il JWST, anche il Nancy Grace Roman Space Telescope (successore della missione Hubble) decollerà nello spazio entro il 2025. Questo osservatorio avrà la potenza di 100 Hubble e i suoi filtri infrarossi recentemente aggiornati gli permetteranno di caratterizzare gli esopianeti da solo e attraverso collaborazioni con il JWST e altri "grandi osservatori".

Ci sono anche diversi telescopi terrestri attualmente in costruzione qui sulla Terra che si baseranno su spettrometri sofisticati, coronografi e ottica adattiva (AO). Questi includono l'Extremely Large Telescope (ELT), il Telescopio Gigante Magellano (GMT), il Thirty Meter Telescope (TMT) Questi telescopi saranno anche in grado di condurre studi di imaging diretto di esopianeti, e i risultati dovrebbero essere innovativi.

Tra strumenti migliorati, migliorare rapidamente l'analisi dei dati e le tecniche, e miglioramenti nella nostra metodologia, lo studio degli esopianeti dovrebbe solo accelerare ulteriormente. Oltre ad avere decine di migliaia di altri disponibili per lo studio (molti dei quali saranno rocciosi e "simili alla Terra"), le viste senza precedenti che avremo di loro ci faranno vedere quanti mondi abitabili ci sono là fuori.

Resta da vedere se questo porterà o meno alla scoperta della vita extraterrestre nelle nostre vite. Ma una cosa è chiara. Negli anni a venire, quando gli astronomi inizieranno a setacciare tutti i nuovi dati che avranno sulle atmosfere degli esopianeti, avranno un elenco completo di firme biologiche per guidarli.