I pianeti extrasolari vengono scoperti a un ritmo rapido:4, 531 pianeti in 3, 363 sistemi (con altri 7, 798 candidati in attesa di conferma). Di questi, 166 sono stati identificati come pianeti rocciosi (noti anche come "simili alla Terra"), mentre un altro 1, 389 sono stati classificati come pianeti rocciosi che sono parecchie volte più grandi della Terra ("Super-Terre"). Man mano che vengono fatte sempre più scoperte, l'attenzione degli astronomi si sta spostando dal processo di scoperta alla caratterizzazione.

Per quantificare se qualcuno di questi esopianeti è abitabile, astronomi e astrobiologi sono alla ricerca di modi per rilevare biomarcatori e altri segni di processi biologici. Secondo un nuovo studio, le indicazioni di un ciclo carbonio-silicato potrebbero essere la chiave. Sulla terra, questo ciclo assicura che il nostro clima rimanga stabile per eoni, e potrebbe essere la chiave per trovare la vita su altri pianeti.

Lo studio, intitolato "Ciclo del carbonio e abitabilità di enormi esopianeti simili alla Terra, " è stato condotto da Amanda Kruijver, Dennis Honing, e Wim van Westrenen, tre scienziati della Terra della Vrije Universiteit Amsterdam. Höning è anche membro dell'Origins Center, un istituto scientifico nazionale con sede nei Paesi Bassi impegnato nella ricerca sulle origini e l'evoluzione della vita nel nostro Universo. Il loro studio è stato recentemente pubblicato in Il giornale di scienze planetarie .

Sulla terra, questo ciclo in due fasi assicura che l'anidride carbonica (CO ₂ ) i livelli nella nostra atmosfera rimangono relativamente costanti nel tempo. Nel primo passo, l'anidride carbonica viene rimossa dalla nostra atmosfera reagendo con il vapore acqueo per formare acido carbonico, che altera e dissolve la roccia silicatica. I prodotti di questo invecchiamento vengono lavati negli oceani, creando roccia carbonatica che sprofonda nel fondale marino e diventa parte del mantello terrestre.

È qui che entra in gioco il secondo passaggio. Una volta nel mantello, le rocce carbonatiche vengono fuse per creare magma silicato e CO ₂ gas, quest'ultimo viene rilasciato nuovamente nell'atmosfera attraverso eruzioni vulcaniche. Come ha spiegato il Dr. Höning a Universe Today via e-mail, il processo risente anche delle variazioni delle condizioni superficiali:

"È importante che la velocità di questo processo dipende dalla temperatura della superficie:se la superficie diventa più calda, le reazioni agli agenti atmosferici accelerano, e più CO ₂ possono essere rimossi dall'atmosfera. Dal momento che CO ₂ è un gas serra, questo meccanismo raffredda la superficie, quindi abbiamo un feedback stabilizzante. Dobbiamo sottolineare che questo feedback stabilizzante ha bisogno di molto tempo per essere efficiente, nell'ordine di centinaia di migliaia di anni o addirittura milioni di anni."

Una considerazione chiave è come il Sole sia diventato più caldo con il tempo, Ha aggiunto il dottor Höning. Rispetto alla prima storia della Terra, il nostro pianeta ora riceve circa il 30% in più di energia dal Sole, ecco perché CO . atmosferica ₂ livelli erano più alti nel lontano passato. Perciò, è sicuro dire che l'erosione diventa più pronunciata man mano che un pianeta invecchia e che la CO . atmosferica ₂ i livelli diminuiranno a un ritmo crescente a questo punto della loro evoluzione.

Poiché si tratta di un semplice processo chimico, non c'è motivo di pensare che un ciclo di silicato di carbonio non possa funzionare su altri pianeti, a condizione che abbiano acqua liquida sulle loro superfici. Per i ricercatori e gli astrobiologi di esopianeti, la presenza di acqua liquida è stata fondamentale per la continua ricerca di vita extraterrestre. È stata sollevata anche la questione della tettonica a zolle poiché svolge un ruolo significativo nel mantenimento dell'abitabilità della Terra nel tempo. Ha detto il dottor Höning:

"Nel nostro sistema solare, solo il pianeta Terra ha la tettonica a zolle e quindi la subduzione. La ragione di ciò non è del tutto chiara e soggetta a studi moderni, probabilmente ha a che fare con la composizione della roccia, dimensione del pianeta, temperatura superficiale, o con l'esistenza di acqua liquida sulla superficie stessa.

"Se avessimo l'erosione su un esopianeta ma nessuna subduzione, i carbonati prodotti si accumulerebbero in superficie e potrebbero tornare instabili dopo milioni di anni. Abbiamo esplorato questo scenario in lavori precedenti e abbiamo scoperto che il clima sarebbe ancora regolato in una certa misura, anche se in qualche modo meno efficiente rispetto alla tettonica a zolle ipotizzata nel presente documento."

Il dottor Höning e i suoi colleghi non sono quasi soli quando si tratta di indagare se la tettonica delle placche e l'attività geologica siano essenziali per la vita. Negli ultimi anni, è stata condotta una ricerca simile che ha considerato se i pianeti coperchio stagnanti (dove la superficie e il mantello sono costituiti da una piastra inattiva) coperti negli oceani potrebbero ancora avere un ciclo del carbonio, con risultati incoraggianti.

Per il loro studio, Il Dr. Höning e i suoi colleghi hanno cercato di determinare se un ciclo di silicato di carbonio sarebbe possibile su altri pianeti rocciosi che vanno dall'essere "simili alla Terra" a "Super-Terre". A tal fine, hanno creato un modello che riproduceva il ciclo carbonato-silicato della Terra e teneva conto di tutti i processi rilevanti, compresa l'evoluzione interiore, degassamento vulcanico, agenti atmosferici, e subduzione. Hanno quindi considerato come il modello potesse essere sensibile ai cambiamenti di dimensioni e massa.

"Per esempio, la pressione all'interno di pianeti massicci aumenta più fortemente con la profondità poiché la gravità è maggiore, " ha detto il dottor Höning. "La pressione ha un effetto sulla profondità di fusione e anche sulla forza della convezione del mantello, che determina la velocità di raffreddamento interno. Quindi abbiamo aggiornato tutte le parti del modello che sono sensibili alle dimensioni o alla massa del pianeta e potremmo quindi esplorare l'influenza di questi parametri sull'abitabilità degli esopianeti".

Quello che hanno scoperto è che un aumento della massa (fino a un certo punto) comporterebbe temperature superficiali medie più elevate, alterando così quella che sarebbe considerata la zona abitabile circumsolare del pianeta (nota anche come "Zona dei Riccioli d'Oro"). Ha detto il dottor Höning:

"Abbiamo scoperto che gli esopianeti dell'età della Terra, ma ~ 3 volte più massicci, dovrebbero avere tassi di degassamento vulcanico più elevati, poiché il loro interno è molto più caldo e la convezione del mantello quindi più vigorosa. Il ciclo carbonato-silicato può ancora regolare il clima su questi pianeti, tuttavia ci aspettiamo una superficie più calda. Perciò, la distanza ottimale tra il pianeta e la stella per mantenere l'acqua liquida sulla superficie del pianeta è un po' più lontana della distanza della Terra dal Sole".

Però, i risultati sono stati opposti quando hanno aumentato la massa di un pianeta roccioso fino a 10 volte quella della Terra (che corrisponde a ~2 raggi terrestri). "Qui, la pressione all'interno di questi pianeti è così grande che l'attività vulcanica e il degassamento di CO ₂ diventa più piccolo, " ha detto. "Tuttavia, poiché il calore dal loro interno non viene perso in modo efficiente, degassamento di CO ₂ diventa particolarmente efficiente nell'evoluzione successiva. Sfortunatamente, la luminosità stellare aumenta anche con il tempo, quindi il pianeta potrebbe diventare troppo caldo perché possa esistere acqua allo stato liquido".

Ci sono molti take away da questi risultati. Per uno, lo studio dimostra che le dimensioni e la massa sono parametri importanti per l'abitabilità planetaria. Allo stesso tempo, le dimensioni e la massa sono tra i pochissimi parametri a cui gli scienziati hanno accesso in questo momento. Come con i mezzi di rilevamento disponibili:il metodo di transito, Per esempio, è molto bravo a vincolare queste due proprietà:gli scienziati sono in qualche modo limitati con mezzi indiretti e devono fare affidamento su estrapolazioni e modelli.

Però, questi due parametri sono ancora molto utili per vincolare quali tipi di pianeti rocciosi potrebbero essere abitabili e quali non potrebbero sostenere la vita. Cosa c'è di più, mostrano come l'età e la massa di un pianeta svolgano un ruolo significativo nel mantenimento del ciclo del carbonio, e quindi l'abitabilità del pianeta. Considerando insieme questi fattori, gli scienziati saranno in grado di dire se un pianeta è "potenzialmente abitabile in modo più sicuro". Come ha riassunto il dottor Höning:

"Una delle principali scoperte del nostro articolo è che dovremmo davvero esaminare la combinazione di dimensioni ed età del pianeta per avere un'idea dell'abitabilità. I ​​pianeti delle dimensioni della Terra dovrebbero essere abitabili per un periodo di tempo molto lungo, ma le loro atmosfere sono naturalmente più difficili da caratterizzare che per pianeti più grandi. I pianeti con massa 3 volte superiore alla Terra (che ricevono lo stesso flusso stellare) dovrebbero avere una superficie più calda della Terra (differenza ~10K). I pianeti ancora più massicci che ricevono lo stesso flusso stellare sono un po' più freddi, ma si riscalderebbero in modo significativo più avanti nella loro evoluzione."

Cosa c'è di più, questo studio sarà utile quando i telescopi di prossima generazione saranno disponibili e potranno condurre osservazioni dirette di esopianeti. Questo è qualcosa che gli astronomi si aspettano dal prossimo James Webb Space Telescope (JWST), il telescopio spaziale romano Nancy Grace, e osservatori terrestri come l'Extremely Large Telescope (ELT), il telescopio gigante di Magellano (GMT), e il telescopio dei trenta metri (TMT).

Osservando direttamente la luce riflessa dall'atmosfera di un esopianeta, gli astronomi otterranno spettri che rivelano la composizione chimica dell'atmosfera. Questa ricerca potrebbe essere utilizzata per studi futuri per posizionare la rilevazione della CO . atmosferica ₂ nel suo contesto appropriato. In breve, gli astrobiologi determineranno se è un'indicazione di attività geologica e può quindi essere interpretata come una possibile indicazione di abitabilità.

Un altro aspetto incoraggiante dello studio è che anche quando si tratta di pianeti rocciosi di varie masse e dimensioni, il ciclo carbonato-silicato rimane un efficiente regolatore del clima. Se gli scienziati rilevano prove di questo ciclo sugli esopianeti, possono stare tranquilli che indica la potenziale abitabilità, non importa quanto sia massiccio il pianeta. "Così, possiamo rimanere ottimisti sulla ricerca di vita extraterrestre in futuro", ha affermato il dott. Höning.