La quantità di elementi radioattivi di lunga durata incorporati in un pianeta roccioso mentre si forma può essere un fattore cruciale nel determinare la sua futura abitabilità, secondo un nuovo studio condotto da un team interdisciplinare di scienziati dell'UC Santa Cruz.

Questo perché il riscaldamento interno dal decadimento radioattivo degli elementi pesanti torio e uranio guida la tettonica delle placche e potrebbe essere necessario affinché il pianeta generi un campo magnetico. Il campo magnetico terrestre protegge il pianeta dai venti solari e dai raggi cosmici.

La convezione nel nucleo metallico fuso della Terra crea una dinamo interna (la "geodinamo") che genera il campo magnetico del pianeta. La riserva terrestre di elementi radioattivi fornisce un riscaldamento interno più che sufficiente per generare una geodinamo persistente, secondo Francesco Nimmo, professore di scienze della Terra e planetarie presso la UC Santa Cruz e primo autore di un articolo sulle nuove scoperte, pubblicato il 10 novembre in Lettere per riviste astrofisiche .

"Ciò che ci siamo resi conto è che pianeti diversi accumulano quantità diverse di questi elementi radioattivi che alla fine alimentano l'attività geologica e il campo magnetico, "Spiegò Nimmo. "Così abbiamo preso un modello della Terra e abbiamo aumentato e diminuito la quantità di calore radiogeno interno per vedere cosa succede".

Quello che hanno scoperto è che se il riscaldamento radiogeno è maggiore di quello terrestre, il pianeta non può sostenere permanentemente una dinamo, come ha fatto la Terra. Ciò accade perché la maggior parte del torio e dell'uranio finisce nel mantello, e troppo calore nel mantello funge da isolante, impedendo al nucleo fuso di perdere calore abbastanza velocemente da generare i moti convettivi che producono il campo magnetico.

Con un riscaldamento interno più radiogeno, il pianeta ha anche molta più attività vulcanica, che potrebbero produrre frequenti estinzioni di massa. D'altra parte, troppo poco calore radioattivo provoca nessun vulcanismo e un pianeta geologicamente "morto".

"Solo cambiando questa variabile, attraversi questi diversi scenari, da geologicamente morto a simile alla Terra a estremamente vulcanico senza dinamo, "Nimmo ha detto, aggiungendo che questi risultati giustificano studi più dettagliati.

"Ora che vediamo le importanti implicazioni della variazione della quantità di riscaldamento radiogeno, il modello semplificato che abbiamo utilizzato dovrebbe essere verificato da calcoli più dettagliati, " Egli ha detto.

Abitabilità

Una dinamo planetaria è stata legata all'abitabilità in diversi modi, secondo Natalie Batalha, un professore di astronomia e astrofisica la cui Astrobiology Initiative presso l'UC Santa Cruz ha innescato la collaborazione interdisciplinare che ha portato a questo articolo.

"È stato a lungo ipotizzato che il riscaldamento interno guidi la tettonica a placche, che crea il ciclo del carbonio e l'attività geologica come il vulcanismo, che produce un'atmosfera, " ha spiegato Batalha. "E la capacità di trattenere un'atmosfera è legata al campo magnetico, che è anche guidato dal riscaldamento interno."

Coautore Joel Primack, professore emerito di fisica, ha spiegato che i venti stellari, che sono flussi veloci di materiale espulso dalle stelle, può erodere costantemente l'atmosfera di un pianeta se non ha campo magnetico.

"La mancanza di un campo magnetico è apparentemente parte del motivo, insieme alla sua gravità inferiore, perché Marte ha un'atmosfera molto sottile, " ha detto. "Un tempo aveva un'atmosfera più densa, e per un po' ebbe acqua di superficie. Senza la protezione di un campo magnetico, passano molte più radiazioni e anche la superficie del pianeta diventa meno abitabile".

Primack ha notato che gli elementi pesanti cruciali per il riscaldamento radiogeno vengono creati durante le fusioni di stelle di neutroni, che sono eventi estremamente rari. La creazione di questi cosiddetti elementi del processo r durante le fusioni di stelle di neutroni è stata al centro della ricerca del coautore Enrico Ramirez-Ruiz, professore di astronomia e astrofisica.

"Ci aspetteremmo una notevole variabilità nelle quantità di questi elementi incorporati in stelle e pianeti, perché dipende da quanto la materia che li ha formati era vicina a dove si sono verificati questi rari eventi nella galassia, " ha detto Primack.

Gli astronomi possono usare la spettroscopia per misurare l'abbondanza di diversi elementi nelle stelle, e ci si aspetta che le composizioni dei pianeti siano simili a quelle delle stelle su cui orbitano. L'elemento delle terre rare europio, che si osserva facilmente negli spettri stellari, è creato dallo stesso processo che rende i due elementi radioattivi più longevi, torio e uranio, quindi l'europio può essere usato come tracciante per studiare la variabilità di quegli elementi nelle stelle e nei pianeti della nostra galassia.

Gamma naturale

Gli astronomi hanno ottenuto misurazioni dell'europio per molte stelle nel nostro vicinato galattico. Nimmo è stato in grado di utilizzare quelle misurazioni per stabilire una gamma naturale di input per i suoi modelli di riscaldamento radiogeno. La composizione del sole è nel mezzo di quella gamma. Secondo Primack, molte stelle hanno la metà dell'europio rispetto al magnesio del sole, e molte stelle hanno fino a due volte di più del sole.

L'importanza e la variabilità del riscaldamento radiogeno apre molte nuove domande per gli astrobiologi, ha detto Batalha.

"È una storia complessa, perché entrambi gli estremi hanno implicazioni per l'abitabilità. Hai bisogno di abbastanza riscaldamento radiogeno per sostenere la tettonica a zolle, ma non così tanto da spegnere la dinamo magnetica, ", ha detto. "Alla fine, stiamo cercando le dimore più probabili della vita. L'abbondanza di uranio e torio sembrano essere fattori chiave, forse anche un'altra dimensione per definire un pianeta Riccioli d'oro."

Usando le misurazioni dell'europio delle loro stelle per identificare i sistemi planetari con diverse quantità di elementi radiogeni, gli astronomi possono iniziare a cercare le differenze tra i pianeti in quei sistemi, Nimmo ha detto, soprattutto una volta schierato il telescopio spaziale James Webb. "Il James Webb Space Telescope sarà un potente strumento per la caratterizzazione delle atmosfere degli esopianeti, " Egli ha detto.

Oltre a Nimmo, primack, e Ramirez-Ruiz, i coautori del paper includono Sandra Faber, professore emerito di astronomia e astrofisica, e lo studioso postdottorato Mohammadtaher Safarzadeh.