Durante quasi quattro anni di osservazione del cosmo, l'Herschel Space Observatory ha rilevato la presenza di acqua. Con la sua sensibilità e risoluzione spettrale senza precedenti alle lunghezze d'onda chiave, Herschel ha rivelato questa molecola cruciale nelle nuvole molecolari che formano le stelle, lo scoprì per la prima volta nei semi di stelle e pianeti futuri, e ha identificato la consegna di acqua dai detriti interplanetari ai pianeti nel nostro sistema solare.

L'acqua è essenziale per la vita come la conosciamo sulla Terra. Copre oltre il 70% della superficie del nostro pianeta ed è presente in tracce nell'atmosfera. Anche se può sembrare abbondante, soprattutto se si guarda la distesa azzurra di un lago, mare o oceano, l'acqua è solo una componente minore della massa totale della Terra.

Infatti, non è affatto chiaro se l'acqua attualmente presente sul nostro pianeta blu fosse presente al momento della sua formazione, 4,6 miliardi di anni fa, o è stato consegnato da impatti successivi di oggetti celesti più piccoli.

Secondo una delle principali teorie per spiegare come è nato il sistema solare, La Terra e i pianeti interni erano estremamente caldi e secchi per le prime centinaia di milioni di anni dopo la loro formazione. In questo scenario, l'acqua è stata consegnata a questi pianeti solo in seguito da violenti impatti di piccoli corpi come meteoriti, asteroidi, e/o comete – i detriti rimanenti del disco protoplanetario da cui hanno preso forma i pianeti e le loro lune.

Ci sono varie strade per indagare sull'origine di questa molecola cruciale sul nostro pianeta, o seguendo gli indizi nel nostro vicinato cosmico - il sistema solare - o guardando nei vivai stellari dove stanno nascendo gli analoghi del nostro sole e dei pianeti.

Osservatorio spaziale Herschel dell'ESA, una missione straordinaria che è stata lanciata nel 2009 e che ha osservato il cielo a lunghezze d'onda del lontano infrarosso e submillimetriche per quasi quattro anni, ha adottato un approccio globale, tracciare l'acqua dalle stelle e dai pianeti in formazione attraverso la nostra galassia della Via Lattea fino ai pianeti e ai corpi minori del sistema solare nel nostro collo dei boschi.

L'acqua nell'universo

L'acqua è stata rilevata per la prima volta nelle nubi molecolari che formano stelle alla fine degli anni '60. Al tempo, è stata la sesta molecola interstellare ad essere identificata, rispetto ai quasi 200 conosciuti fino ad oggi.

Fin dalla sua scoperta, gli astronomi sospettavano che l'acqua sarebbe stata presente in una varietà di ambienti cosmici. Dopotutto, è costituito dai due elementi reattivi più abbondanti che esistono:idrogeno, che risale al Big Bang, e ossigeno, prodotta nelle fornaci delle stelle nel corso della storia dell'Universo.

Infatti, l'acqua è stata osservata in oggetti celesti diversi come i pianeti, lune, stelle, nuvole che formano stelle, e anche oltre la nostra Via Lattea, nelle culle stellari di altre galassie. Però, a causa del vapore acqueo presente nell'atmosfera terrestre, studiare questa molecola con osservazioni astronomiche è tutt'altro che banale.

Nel corso dei decenni, gli astronomi hanno utilizzato una vasta gamma di strutture per studiare l'acqua nel cosmo, dagli osservatori terrestri nel clima secco delle cime delle montagne e dei telescopi aerei agli esperimenti su palloni stratosferici e osservatori spaziali e persino sullo Space Shuttle. Lontano dall'ambiente umido del nostro pianeta, un telescopio spaziale è ovviamente lo strumento ideale per investigare l'acqua cosmica.

Il primo satellite dedicato a questo argomento, Osservatorio spaziale a infrarossi (ISO) dell'ESA è stata varata nel 1995 e ha operato fino al 1998, subito seguito dal satellite per astronomia submillimetrica delle onde submillimetriche (SWAS) e dal telescopio spaziale Spitzer, e dalla guida svedese, satellite internazionale Odin.

Entrando in questa tradizione di lunga data, Herschel ha spinto la ricerca dell'acqua cosmica a nuovi livelli con un hardware fenomenale, l'Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) – uno dei tre strumenti a bordo.

Per rivelare la presenza di una molecola in una sorgente cosmica, gli astronomi cercano una serie di impronte digitali molto distintive, o linee, nello spettro della sorgente, che sono causati dalla rotazione o dalle transizioni di vibrazione nella struttura della molecola.

Queste righe sono osservate all'interno di un tratto dello spettro elettromagnetico, coprendo le lunghezze d'onda da infrarossi a microonde, a seconda del tipo di molecola e della sua temperatura. Nel caso dell'acqua, alcune delle linee più interessanti – quelle che corrispondono alla configurazione energetica più bassa del vapore acqueo, in altre parole il suo stato fondamentale o "freddo" - si trovano nelle gamme del lontano infrarosso e submillimetrico, che sono inaccessibili da terra.

Appositamente progettato per la caccia all'acqua e ad altre molecole, Lo strumento HIFI di Herschel aveva una risoluzione spettrale senza precedenti che poteva mirare a circa 40 diverse linee d'acqua, ciascuno proveniente da una diversa transizione della molecola d'acqua e quindi sensibile ad una diversa temperatura.

In particolare, a differenza dei suoi predecessori, Herschel era sensibile a due diverse transizioni dello stato fondamentale dell'acqua che corrispondono alle due forme di "spin" della molecola, chiamato orto e para, in cui gli spin dei nuclei di idrogeno hanno orientamenti diversi. Questa caratteristica fondamentale ha permesso agli astronomi di determinare le temperature sotto le quali si è formata l'acqua confrontando le quantità relative di acqua orto e para.

Due dei programmi chiave dell'osservatorio – Acqua nelle regioni di formazione stellare con Herschel e Acqua e chimica correlata nel sistema solare – hanno dedicato diverse centinaia di ore alla ricerca dell'acqua cosmica.

Sfruttando i dati eccezionali raccolti da HIFI, insieme alle osservazioni eseguite con gli altri due strumenti di Herschel, la fotocamera e spettrometro a matrice di fotorivelatori (PACS) e il ricevitore di immagini spettrali e fotometriche (SPIRE), gli astronomi sono stati in grado di ampliare notevolmente la nostra comprensione del ruolo dell'acqua nell'Universo.

Acqua nei progenitori di stelle e pianeti

Mentre il vapore acqueo nelle regioni di formazione stellare era noto da tempo, Herschel lo scoprì, per la prima volta, in un nucleo prestellare – un grumo freddo di materiale denso che in seguito si trasformerà in una stella. Il nucleo pre-stellare, chiamato Lynds 1544, si trova nella nube molecolare del Toro, una vasta regione di gas e polvere che sta covando i semi di future stelle e pianeti.

Con i dati di Herschel, gli astronomi potrebbero stimare anche la quantità di vapore acqueo a Lynds 1544, l'equivalente di oltre 2000 volte il contenuto d'acqua degli oceani della Terra. Il vapore acqueo deriva da granelli di polvere ghiacciata, alludendo a un serbatoio di oltre mille volte più acqua sotto forma di ghiaccio. Se qualche pianeta dovesse emergere intorno alla stella che prende forma da questo nucleo, è probabile che anche parte dell'acqua rilevata da Herschel arrivi ai pianeti.

In viaggio per diventare stelle, i nuclei pre-stellari continuano ad accumulare materia dalla loro nuvola madre fino a quando non si separano da essa, trasformandosi in una protostella, un oggetto indipendente che sta crollando sotto la sua stessa gravità. Normalmente, un disco rotante di gas e polvere – un disco protoplanetario – prende forma attorno a protostelle, fornendo il materiale per la formazione dei pianeti futuri. Finalmente, quando le reazioni nucleari si accendono nel nucleo della protostella, contrastare il crollo, è nata una stella a tutti gli effetti.

Herschel ha individuato acqua in oggetti che abbracciano tutti gli stadi della formazione stellare, incluso in un gran numero di protostelle di piccola massa trovate in molte regioni vicine di formazione stellare.

Per la prima volta, gli astronomi che utilizzano Herschel hanno rilevato vapore acqueo freddo in un disco protoplanetario. Mentre studi precedenti avevano rivelato vapore acqueo caldo nella parte interna di dischi simili, o ghiaccio d'acqua nella loro periferia, Le osservazioni di Herschel mirate al disco intorno alla vicina giovane stella TW Hydrae sono state le prime a identificare il vapore acqueo freddo, con temperature inferiori a 100 K, in un tale oggetto.

Il vapore freddo sembra trovarsi in uno strato sottile a profondità intermedie nel disco, dove l'evaporazione del gas e il congelamento del ghiaccio trovano un equilibrio. I dati indicano una piccola quantità di vapore freddo, equivalente a circa lo 0,5 per cento dell'acqua negli oceani della Terra, ma indicano un serbatoio molto più grande di ghiaccio d'acqua - diverse migliaia di oceani terrestri - nel disco.

Questa è stata la prima prova che grandi quantità di ghiaccio d'acqua possono essere immagazzinate nel precursore di un sistema planetario come il nostro, contribuendo così ad ulteriori prove per affrontare il puzzle dell'origine dell'acqua sulla Terra e su altri pianeti.

Acqua nel sistema solare

Oltre a dimostrare che l'acqua è un importante costituente di stelle e pianeti sin dalla loro prima formazione, Anche Herschel ha seguito le sue tracce fino al nostro quartiere locale, il sistema solare.

Per confrontare l'acqua che si trova in diversi corpi celesti, gli astronomi analizzano l'abbondanza relativa di molecole con una composizione leggermente diversa. Soprattutto, guardano il rapporto D/H, confrontando l'acqua "ordinaria", composto da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O), e acqua semipesante, dove uno degli atomi di idrogeno appare come deuterio (D), una forma isotopica con un neutrone in più.

Prima di Herschel, questa misurazione era stata eseguita su una manciata di comete, tutti pensavano che provenissero dalla nuvola di Oort alla periferia del nostro sistema solare, e tutti rivelano proporzioni più elevate di deuterio rispetto all'idrogeno "normale" rispetto a quello che si trova negli oceani della Terra. Questi risultati sembravano suggerire che le comete - avanzi ghiacciati del nostro antico disco protoplanetario - non avrebbero potuto essere la fonte dell'acqua del nostro pianeta, mentre una specifica classe di meteoriti, chiamate Cl condriti carboniose, possedeva il "giusto" rapporto D/H e quindi sembrava essere il principale colpevole.

Nel 2011, Le osservazioni di Herschel sull'acqua nella cometa 103P/Hartley 2 hanno riaperto questo affascinante dibattito. Questa misurazione è stata la prima del suo genere eseguita per una cometa della famiglia di Giove - una classe di comete con orbite governate dalla gravità di Giove e con periodo molto più breve rispetto alle loro controparti della nuvola di Oort - e ha rivelato, per la prima volta, acqua con una proporzione di deuterio in idrogeno simile a quella che si trova sul nostro pianeta.

Herschel ha contribuito al dibattito con altre due osservazioni, trovare una cometa della famiglia di Giove (45P/Honda-Mrkos-Pajdušáková) con acqua simile alla Terra, e una cometa nuvola di Oort (2009P1) con una miscela diversa da quella dell'acqua del nostro pianeta.

La trama si è infittita quando la missione Rosetta dell'ESA ha raggiunto la cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko nel 2014 e ha campionato il contenuto di acqua nella sua atmosfera. Anche la cometa di Rosetta appartiene alla famiglia di Giove ma, a differenza dei due osservati da Herschel, non contiene acqua simile alla Terra; anzi, risultò avere il più alto rapporto D/H mai misurato per una cometa.

Mentre Rosetta ha rivelato che non tutte le comete della famiglia di Giove contengono acqua simile a quella degli oceani del nostro pianeta, I primi rilevamenti di Herschel avevano evidenziato in modo importante che esistono comete con la giusta composizione e che alcune potrebbero effettivamente aver contribuito al bilancio idrico della Terra. Infatti, i modelli attuali indicano che un'ampia e diversificata gamma di corpi minori ha contribuito al ruolo fondamentale di portare l'acqua al nostro pianeta.

Altrove nel sistema solare, Herschel è arrivato fino a confermare che almeno una cometa ha contribuito ad arricchire di acqua un altro pianeta, Giove. Studiando la distribuzione del vapore acqueo nella stratosfera del pianeta gigante, gli astronomi hanno trovato prove che quasi tutto è stato prodotto dal famoso impatto della cometa Shoemaker-Levy 9 nel 1994.

Seguendo l'acqua in tutto il sistema solare, Herschel ha trovato questa molecola in molti altri posti, dal pianeta nano Cerere, il corpo più grande della cintura di asteroidi, a un gigantesco toroide di vapore acqueo che circonda Saturno, che sembra essere fornito dalla piccola luna del pianeta Encelado. Come rivelato dalla missione Cassini NASA/ESA/ASI, Encelado mostra pennacchi d'acqua che attingono dall'oceano sotterraneo in agguato sotto la sua crosta ghiacciata.

Più lontano dal sole, Herschel ha rivelato superfici altamente riflettenti su diversi oggetti transnettuniani (TNO), indicando che il ghiaccio d'acqua potrebbe essere presente anche su questi antichi, oggetti remoti. Mentre i TNO risalgono alla prima formazione del nostro sistema solare, gli astronomi sospettano che il loro brillante rivestimento ghiacciato possa essere più recente - un'ipotesi speculativa ma non irrealizzabile data la disponibilità di acqua su pianeti esterni come Urano e Nettuno, e sulle loro lune maggiori. Un rivestimento così recente potrebbe anche suggerire che la superficie di questi oggetti "morti" a lungo ritenuti possa effettivamente essere viva, come evidenziato anche dalle osservazioni in situ effettuate nel 2015 dalla sonda New Horizon della NASA di un altro TNO, il pianeta nano Plutone.

Veduta

Su scale molto più grandi, oltre il nostro sistema solare e i confini galattici della Via Lattea, Herschel ha rilevato l'acqua in molte altre galassie. Come già evidenziato da alcuni dei suoi predecessori, i risultati confermano il ruolo cruciale di questa importantissima molecola nei processi che portano alla nascita delle stelle in tutto il cosmo.

Data la sua composizione chimica, non sorprende che l'acqua sia onnipresente nell'Universo, e, dopo Herschel, non c'è più alcun dubbio che le scie d'acqua cosmiche fanno molta strada, dai pianeti alle stelle, e persino alla vastità dello spazio interstellare.

Però, Herschel ha appena iniziato a scalfire la superficie del proverbiale iceberg, avendo individuato acqua in singole sorgenti cosmiche che sono, in molti casi, unico nel suo genere. Queste entusiasmanti scoperte richiedono indagini future per dare seguito alle osservazioni di Herschel, raccogliere campioni più grandi di ogni tipo di fonte per esaminare l'acqua e altre molecole e approfondire i meccanismi fisici alla base della loro formazione e distribuzione nel cosmo.