In un generico edificio in mattoni sul confine nord-occidentale del campus Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, migliaia di computer stipati in rack delle dimensioni di distributori automatici ronzano in un coro assordante di dati macinati. Giorno e notte, sputano 7 quadrilioni di calcoli al secondo. Queste macchine sono conosciute collettivamente come il supercomputer Discover della NASA e hanno il compito di eseguire sofisticati modelli climatici per prevedere il clima futuro della Terra.

Ma ora, stanno anche scoprendo qualcosa di molto più lontano:se qualcuno degli oltre 4, 000 pianeti curiosamente strani oltre il nostro sistema solare scoperti negli ultimi due decenni potrebbero sostenere la vita.

Gli scienziati stanno scoprendo che la risposta non solo è sì, ma che è sì in una serie di condizioni sorprendenti rispetto alla Terra. Questa rivelazione ha spinto molti di loro a confrontarsi con una domanda vitale per la ricerca della vita oltre la Terra da parte della NASA. È possibile che le nostre nozioni su ciò che rende un pianeta adatto alla vita siano troppo limitanti?

La prossima generazione di potenti telescopi e osservatori spaziali ci darà sicuramente più indizi. Questi strumenti permetteranno per la prima volta agli scienziati di analizzare le atmosfere dei pianeti più allettanti:quelli rocciosi, come la Terra, che potrebbe avere un ingrediente essenziale per la vita, l'acqua liquida, che scorre sulle loro superfici.

Per ora, è difficile sondare atmosfere lontane. Invio di una navicella spaziale sul pianeta più vicino al di fuori del nostro sistema solare, o esopianeta, ci vorrebbe 75, 000 anni con la tecnologia odierna. Anche con potenti telescopi gli esopianeti vicini sono praticamente impossibili da studiare in dettaglio. Il problema è che sono troppo piccoli e troppo annegati dalla luce delle loro stelle perché gli scienziati possano distinguere le deboli tracce luminose che riflettono, segni che potrebbero rivelare la chimica della vita in superficie.

In altre parole, rilevando gli ingredienti delle atmosfere intorno a questi pianeti fantasma, come molti scienziati amano sottolineare, è come stare a Washington, DC, e cercando di intravedere una lucciola accanto a un proiettore a Los Angeles. Questa realtà rende i modelli climatici fondamentali per l'esplorazione, ha detto il capo scienziato esoplanetario Karl Stapelfeldt, che ha sede presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California.

"I modelli rendono specifico, previsioni verificabili di ciò che dovremmo vedere, " ha detto. "Questi sono molto importanti per progettare i nostri futuri telescopi e le strategie di osservazione".

Il sistema solare è un buon modello?

Nella scansione del cosmo con grandi telescopi terrestri e spaziali, gli astronomi hanno scoperto un assortimento eclettico di mondi che sembrano tratti dall'immaginazione.

"Per molto tempo, gli scienziati erano davvero concentrati sulla ricerca di sistemi simili al sole e alla Terra. Questo è tutto ciò che sapevamo, " disse Elisa Quintana, un astrofisico Goddard della NASA che ha guidato la scoperta del 2014 del pianeta Kepler-186f delle dimensioni della Terra. "Ma abbiamo scoperto che c'è tutta questa folle diversità nei pianeti. Abbiamo trovato pianeti piccoli come la luna. Abbiamo trovato pianeti giganti. E ne abbiamo trovati alcuni che orbitano attorno a minuscole stelle, stelle giganti e stelle multiple."

Infatti, la maggior parte dei pianeti rilevati dal telescopio spaziale Kepler della NASA e dal nuovo satellite Transiting Exoplanet Survey, così come osservazioni a terra, non esistono nel nostro sistema solare. Cadono tra le dimensioni di una Terra terrestre e un Urano gassoso, che è quattro volte più grande di questo pianeta.

Pianeti di dimensioni più vicine alla Terra, e molto probabilmente in teoria avere condizioni abitabili, finora sono stati trovati solo intorno a stelle "nane rosse", che costituiscono la stragrande maggioranza delle stelle della galassia. Ma è probabile che le nane rosse siano più piccole e più scure del sole, quindi il segnale dei pianeti che li orbitano è più facile da rilevare per i telescopi.

Perché le nane rosse sono piccole, i pianeti devono girare scomodamente vicini, più vicini di quanto Mercurio sia al sole, per rimanere gravitazionalmente attaccati a loro. E poiché le nane rosse sono fighe, rispetto a tutte le altre stelle, i pianeti devono essere più vicini a loro per assorbire abbastanza calore da consentire all'acqua liquida di accumularsi sulle loro superfici.

Tra le scoperte recenti più affascinanti nei sistemi di nane rosse ci sono pianeti come Proxima Centauri b, o semplicemente Proxima b. È l'esopianeta più vicino. Ci sono anche sette pianeti rocciosi nel vicino sistema TRAPPIST-1. Se questi pianeti possano o meno sostenere la vita è ancora oggetto di dibattito. Gli scienziati sottolineano che le nane rosse possono emettere radiazioni ultraviolette e raggi X fino a 500 volte più dannose sui loro pianeti rispetto a quelle che il sole emette nel sistema solare. Sulla faccia di esso, questo ambiente spoglierebbe atmosfere, evaporare gli oceani e friggere il DNA su qualsiasi pianeta vicino a una nana rossa.

Ancora, forse no. I modelli climatici della Terra stanno dimostrando che gli esopianeti rocciosi attorno alle nane rosse potrebbero essere abitabili nonostante le radiazioni.

La magia è tra le nuvole

Anthony Del Genio è uno scienziato del clima planetario recentemente in pensione dal Goddard Institute for Space Studies della NASA a New York City. Durante la sua carriera ha simulato i climi della Terra e di altri pianeti, compreso Proxima b.

Il team di Del Genio ha recentemente simulato possibili climi su Proxima b per testare quanti lo lascerebbero abbastanza caldo e umido da ospitare la vita. Questo tipo di lavoro di modellazione aiuta gli scienziati della NASA a identificare una manciata di pianeti promettenti degni di uno studio più rigoroso con il prossimo James Webb Space Telescope della NASA.

"Anche se il nostro lavoro non può dire agli osservatori se un pianeta è abitabile o meno, possiamo dire loro se un pianeta è nella fascia media di buoni candidati per cercare ulteriormente, " Disse Del Genio.

Proxima b orbita intorno a Proxima Centauri in un sistema a tre stelle situato a soli 4,2 anni luce dal sole. A parte quello, gli scienziati non ne sanno molto. Credono che sia roccioso, in base alla sua massa stimata, che è leggermente più grande di quello terrestre. Gli scienziati possono dedurre la massa osservando quanto Proxima b tira la sua stella mentre vi orbita.

Il problema con Proxima b è che è 20 volte più vicino alla sua stella di quanto la Terra sia al sole. Perciò, il pianeta impiega solo 11,2 giorni per compiere un'orbita (la Terra impiega 365 giorni per compiere un'orbita intorno al sole una volta). La fisica dice agli scienziati che questa comoda disposizione potrebbe lasciare Proxima b gravitazionalmente agganciato alla sua stella, come se la luna fosse gravitazionalmente bloccata sulla Terra. Se è vero, un lato di Proxima b affronta l'intensa radiazione della stella mentre l'altro si congela nell'oscurità dello spazio in una ricetta planetaria che non promette nulla di buono per la vita su entrambi i lati.

Ma le simulazioni di Del Genio mostrano che Proxima b, o qualsiasi pianeta con caratteristiche simili, potrebbe essere abitabile nonostante le forze che cospirano contro di essa. "E le nuvole e gli oceani giocano un ruolo fondamentale in questo, " Disse Del Genio.

Il team di Del Genio ha aggiornato un modello del clima terrestre sviluppato per la prima volta negli anni '70 per creare un simulatore planetario chiamato ROCKE-3-D. Se Proxima b abbia un'atmosfera è una questione aperta e critica che si spera venga risolta dai futuri telescopi. Ma la squadra di Del Genio presumeva di sì.

Con ogni simulazione il team di Del Genio ha variato i tipi e le quantità di gas serra nell'aria di Proxima b. Hanno anche cambiato la profondità, dimensione, e la salinità dei suoi oceani e aggiustato il rapporto tra terra e acqua per vedere come queste modifiche avrebbero influenzato il clima del pianeta.

I modelli come ROCKE-3-D iniziano con solo grani di informazioni di base su un esopianeta:le sue dimensioni, messa, e distanza dalla sua stella. Gli scienziati possono dedurre queste cose osservando la luce di una stella calare mentre un pianeta le attraversa davanti, o misurando l'attrazione gravitazionale su una stella mentre un pianeta la circonda.

Questi scarsi dettagli fisici informano le equazioni che comprendono fino a un milione di righe di codice informatico necessarie per costruire i modelli climatici più sofisticati. Il codice indica a un computer come il supercomputer Discover della NASA di utilizzare regole stabilite della natura per simulare i sistemi climatici globali. Tra molti altri fattori, i modelli climatici considerano come le nuvole e gli oceani circolano e interagiscono e come la radiazione solare interagisce con l'atmosfera e la superficie di un pianeta.

Quando il team di Del Genio ha eseguito ROCKE-3-D su Discover, ha visto che le ipotetiche nuvole di Proxima b agivano come un enorme ombrellone deviando le radiazioni. Ciò potrebbe abbassare la temperatura sul lato esposto al sole di Proxima b da troppo caldo a caldo.

Altri scienziati hanno scoperto che Proxima b potrebbe formare nuvole così massicce da oscurare l'intero cielo se si guardasse dalla superficie.

"Se un pianeta è bloccato gravitazionalmente e ruota lentamente sul proprio asse, si forma un cerchio di nuvole davanti alla stella, puntando sempre verso di essa. Ciò è dovuto a una forza nota come effetto Coriolis, che provoca la convezione nel punto in cui la stella sta riscaldando l'atmosfera, " disse Ravi Kopparapu, uno scienziato planetario Goddard della NASA che modella anche i potenziali climi degli esopianeti. "La nostra modellazione mostra che Proxima b potrebbe assomigliare a questo."

Oltre a rendere il lato diurno di Proxima b più temperato del previsto, una combinazione di atmosfera e circolazione oceanica sposterebbe l'aria calda e l'acqua intorno al pianeta, trasportando così il calore verso il lato freddo. "Quindi non solo eviti che l'atmosfera notturna si congeli, crei parti sul lato notte che effettivamente mantengono l'acqua liquida in superficie, anche se quelle parti non vedono luce, " Disse Del Genio.

Dare un nuovo sguardo a un vecchio modello di ruolo

Le atmosfere sono involucri di molecole attorno ai pianeti. Oltre ad aiutare a mantenere e far circolare il calore, le atmosfere distribuiscono gas che nutrono la vita o sono prodotti da essa.

Questi gas sono le cosiddette "firme biologiche" che gli scienziati cercheranno nelle atmosfere degli esopianeti. Ma cosa dovrebbero cercare esattamente è ancora indeciso.

Quella della Terra è l'unica prova che gli scienziati hanno della chimica di un'atmosfera che sostiene la vita. Ancora, devono essere cauti quando usano la chimica della Terra come modello per il resto della galassia. Simulazioni della scienziata planetaria Goddard Giada Arney, ad esempio, mostrano che anche qualcosa di semplice come l'ossigeno, il segno per eccellenza della vita vegetale e della fotosintesi sulla Terra moderna, potrebbe rappresentare una trappola.

Il lavoro di Arney mette in luce qualcosa di interessante. Se le civiltà aliene avessero puntato i loro telescopi verso la Terra miliardi di anni fa sperando di trovare un pianeta blu che nuotasse nell'ossigeno, sarebbero rimasti delusi; forse avrebbero rivolto i loro telescopi verso un altro mondo. Ma invece di ossigeno, il metano avrebbe potuto essere la migliore biofirma da cercare da 3,8 a 2,5 miliardi di anni fa. Questa molecola è stata prodotta in abbondanza allora, probabilmente dai microrganismi che prosperano tranquillamente negli oceani.

"La cosa interessante di questa fase della storia della Terra è che era così aliena rispetto alla Terra moderna, " disse Arney. "Non c'era ancora ossigeno, quindi non era nemmeno un punto azzurro pallido. Era un punto arancione pallido, " lei disse, riferendosi alla foschia arancione prodotta dallo smog di metano che potrebbe aver avvolto la Terra primitiva.

Risultati come questo, Arney ha detto, "hanno ampliato il nostro pensiero su ciò che è possibile tra gli esopianeti, "aiutando ad espandere l'elenco delle biofirme che gli scienziati planetari cercheranno in atmosfere lontane.

Costruire un progetto per i cacciatori di atmosfera

Sebbene le lezioni dei modelli climatici planetari siano teoriche, nel senso che gli scienziati non hanno avuto l'opportunità di testarle nel mondo reale, offrono un modello per osservazioni future.

Uno degli obiettivi principali della simulazione del clima è identificare i pianeti più promettenti a cui rivolgersi con il telescopio Webb e altre missioni in modo che gli scienziati possano utilizzare il tempo limitato e costoso del telescopio in modo più efficiente. Inoltre, queste simulazioni stanno aiutando gli scienziati a creare un catalogo di potenziali firme chimiche che un giorno rileveranno. Avere un tale database da cui attingere li aiuterà a determinare rapidamente il tipo di pianeta che stanno guardando e decidere se continuare a sondare o rivolgere i loro telescopi altrove.

Scoprire la vita su pianeti lontani è una scommessa, Del Genio ha osservato:"Quindi, se vogliamo osservare più saggiamente, dobbiamo prendere raccomandazioni dai modelli climatici, perché questo sta solo aumentando le probabilità".