Un team di astronomi dell'Università di Chicago e del Grinnell College cerca di cambiare il modo in cui gli scienziati affrontano la ricerca di pianeti simili alla Terra in orbita attorno a stelle diverse dal sole. Preferiscono adottare un approccio statistico comparativo nella ricerca di pianeti abitabili e vita oltre il sistema solare.
"La natura della prova non dovrebbe essere:'Possiamo indicare un pianeta e dire, sì o no, questo è il pianeta che ospita la vita aliena, " ha detto Jacob Bean, professore associato di astronomia e astrofisica presso UChicago. "E' un esercizio statistico. Cosa possiamo dire per un insieme di pianeti sulla frequenza dell'esistenza di ambienti abitabili, o la frequenza dell'esistenza della vita su quei pianeti?"
L'approccio standard della ricerca sugli esopianeti, o pianeti che orbitano attorno a stelle lontane, ha comportato lo studio di un piccolo numero di oggetti per determinare se hanno i gas giusti nelle quantità e nei rapporti appropriati per indicare l'esistenza della vita. Ma in un recente articolo con i coautori Dorian Abbot ed Eliza Kempton nel Lettere per riviste astrofisiche , Bean descrive la necessità di "pensare alle tecniche e agli approcci dell'astronomia in questo gioco, non come scienziati planetari che studiano gli esopianeti".
"La natura ci ha fornito un numero enorme di sistemi planetari, "ha detto Kempton, un assistente professore di fisica al Grinnell College in Iowa. "Se esaminiamo un gran numero di pianeti con misurazioni meno dettagliate, possiamo ancora avere un senso statistico di quanto siano prevalenti gli ambienti abitabili nella nostra galassia. Questo ci darebbe una base per il futuro, indagini più dettagliate».
Kempton e Bean attestano le difficoltà di fare osservazioni dettagliate di un pianeta potenzialmente simile alla Terra. Insieme hanno precedentemente studiato la super-Terra conosciuta come GJ 1214b, un esopianeta con una massa maggiore di quella terrestre ma inferiore a quella di giganti gassosi come Nettuno e Urano. GJ 1214b si è rivelato abbastanza nuvoloso, che impediva loro di determinare la composizione della sua atmosfera.
"Un ampio studio statistico ci permetterà di guardare molti pianeti, " disse Kempton. "Se un singolo oggetto si rivela particolarmente difficile da osservare, come GJ 1214b, non sarà una grande perdita per il programma di osservazione nel suo complesso."
L'osservatorio Keplero cambia le regole del gioco
L'ispirazione per il documento è nata dall'appartenenza di Bean al Science and Technology Definition Team che sta valutando il potenziale per un nuovo telescopio spaziale, Il Large UV/Optical/Infrared Survey (LUVOIR) proposto dalla NASA.
Una delle priorità scientifiche di LUVOIR è la ricerca di pianeti simili alla Terra. Durante una riunione di gruppo, Bean e i suoi colleghi hanno elencato tutte le proprietà di un esopianeta potenzialmente abitabile che devono misurare e come potrebbero ottenere i dati. Dato lo stato attuale della tecnologia, Bean ha concluso che è improbabile che gli scienziati siano in grado di confermare un individuo esopianeta come adatto alla vita o se la vita è effettivamente lì.
Tuttavia, gli astronomi hanno raccolto un'impressionante quantità di dati esoplanetari dall'osservatorio spaziale Kepler della NASA, che opera dal 2009.
"Kepler ha cambiato completamente il gioco, " disse Bean. "Invece di parlare di pochi pianeti o di poche decine di pianeti, all'improvviso abbiamo avuto qualche migliaio di pianeti candidati. Erano candidati per i pianeti perché Keplero non poteva dimostrare con certezza che il segnale che stava vedendo fosse dovuto ai pianeti".
L'approccio standard è stato quello di prendere ulteriori osservazioni per ciascun candidato per escludere possibili scenari falsi positivi, o per rilevare il pianeta con una seconda tecnica.
"È molto lento. Un pianeta alla volta, molte osservazioni diverse, " Bean ha osservato. Ma un'alternativa è fare calcoli statistici per la probabilità di falsi positivi tra queste migliaia di esopianeti candidati. Quel nuovo approccio ha portato direttamente a una buona comprensione della frequenza di esopianeti di diverse dimensioni. Ad esempio, gli scienziati ora possono dire che la frequenza dei pianeti di tipo super-Terra è del 15%, più o meno il 5 per cento.
Ruolo della spettroscopia
Gli studi spettroscopici giocano un ruolo chiave nella caratterizzazione degli esopianeti. Si tratta di determinare la composizione di un'atmosfera planetaria misurandone gli spettri, la radiazione caratteristica che i gas assorbono alle loro particolari lunghezze d'onda. Bean e i suoi coautori suggeriscono di concentrarsi su ciò che si può apprendere dalla misurazione degli spettri di un ampio insieme di esopianeti terrestri.
La spettroscopia può Per esempio, aiutare i ricercatori esoplanetari a verificare un fenomeno chiamato feedback dell'erosione dei silicati, che funge da termostato planetario. Attraverso l'erosione dei silicati, la quantità di anidride carbonica atmosferica varia a seconda dei processi geologici. I vulcani emettono anidride carbonica nell'atmosfera, ma la pioggia e le reazioni chimiche che si verificano nelle rocce e nei sedimenti rimuovono anche il gas dall'atmosfera.
L'aumento delle temperature immetterebbe più vapore acqueo nell'atmosfera, che poi piove, aumentando la quantità di anidride carbonica disciolta che interagisce chimicamente con le rocce. Questa perdita di anidride carbonica dall'atmosfera ha un effetto di raffreddamento. Ma quando un pianeta inizia a raffreddarsi, l'erosione della roccia rallenta e la quantità di anidride carbonica si accumula gradualmente dalle sue fonti vulcaniche, che provoca l'aumento delle temperature.
Le osservazioni su scala globale suggeriscono che la Terra ha subito un feedback sull'erosione dei silicati. Ma i tentativi di verificare che il processo funzioni oggi sulla scala dei singoli bacini fluviali si sono rivelati difficili.
"I risultati sono molto rumorosi. Non c'è un segnale chiaro, "Ha detto Abbot. "Sarebbe bello avere un'altra conferma indipendente dagli esopianeti".
Tutti e tre i coautori sono interessati a approfondire i dettagli degli esperimenti che hanno proposto nel loro articolo. Abbot prevede di calcolare la quantità di anidride carbonica necessaria per mantenere abitabile un pianeta a una gamma di intensità di radiazione stellare mentre si modificano vari parametri planetari. Valuterà anche come un futuro strumento sarà in grado di misurare il gas.
"Quindi lo metteremo insieme per vedere quanti pianeti dovremmo osservare per rilevare la tendenza che indica un feedback di invecchiamento dei silicati, "ha spiegato l'Abate.
Bean e Kempton, nel frattempo, sono interessati a dettagliare quale sia un censimento statistico di gas biologicamente significativi come l'ossigeno, anidride carbonica e ozono potrebbero rivelare l'abitabilità planetaria.
"Vorrei avere una migliore comprensione di come alcuni dei telescopi di prossima generazione saranno in grado di distinguere le tendenze statistiche che indicano pianeti abitabili o abitati, "Ha detto Kempton.
