Gli esopianeti stanno vivendo un aumento stratosferico. Nei tre decenni trascorsi da quando il primo pianeta confermato in orbita attorno a un'altra stella, gli scienziati ne hanno catalogati più di 4.000. Man mano che l'elenco cresce, cresce anche il desiderio di trovare esopianeti simili alla Terra e di determinare se potrebbero essere oasi di sostentamento vitale come il nostro globo.

I prossimi decenni dovrebbero vedere il lancio di nuove missioni in grado di raccogliere quantità sempre maggiori di dati sugli esopianeti. Anticipando questi sforzi futuri, un team dell'Università di Washington e dell'Università di Berna ha simulato computazionalmente più di 200.000 ipotetici mondi simili alla Terra, pianeti che hanno le stesse dimensioni, massa, composizione atmosferica e geografia della Terra moderna, tutti in orbita di stelle come il nostro sole. Il loro obiettivo era modellare i tipi di ambienti che gli astronomi possono aspettarsi di trovare su veri esopianeti simili alla Terra.

Come riportano in un documento accettato dal Planetary Science Journal e presentato il 6 dicembre al sito di prestampa arXiv, su questi esopianeti simulati, spesso mancava una caratteristica comune della Terra odierna:la copertura parziale del ghiaccio.

"Abbiamo essenzialmente simulato il clima terrestre su mondi attorno a diversi tipi di stelle e scopriamo che nel 90% dei casi con acqua liquida in superficie, non ci sono lastre di ghiaccio, come le calotte polari", ha affermato il coautore Rory Barnes, un UW professore di astronomia e scienziato presso il Virtual Planetary Laboratory dell'UW. "Quando è presente il ghiaccio, vediamo che le cinture di ghiaccio, il ghiaccio permanente lungo l'equatore, sono in realtà più probabili delle calotte di ghiaccio".

I risultati fanno luce sulla complessa interazione tra acqua liquida e ghiaccio su mondi simili alla Terra, secondo l'autrice principale Caitlyn Wilhelm, che ha guidato lo studio come studentessa universitaria presso il Dipartimento di Astronomia della UW.

"Guardare la copertura di ghiaccio su un pianeta simile alla Terra può dirti molto sul fatto che sia abitabile", ha detto Wilhelm, che ora è ricercatore presso il Virtual Planetary Laboratory. "Volevamo capire tutti i parametri, la forma dell'orbita, l'inclinazione assiale, il tipo di stella, che influiscono sulla presenza di ghiaccio sulla superficie e, in tal caso, dove."

Il team ha utilizzato un modello di bilancio energetico 1-D, che imita computazionalmente il flusso di energia tra l'equatore e i poli di un pianeta, per simulare i climi su migliaia di ipotetici esopianeti in varie configurazioni orbitali attorno a stelle di tipo F, G o K. Queste classi di stelle, che includono il nostro sole di tipo G, sono candidati promettenti per ospitare mondi favorevoli alla vita nelle loro zone abitabili, note anche come zona "Riccioli d'oro". Le stelle di tipo F sono un po' più calde e più grandi del nostro sole; Le stelle di tipo K sono leggermente più fredde e più piccole.

Nelle loro simulazioni, le orbite degli esopianeti variavano da circolare a ovale pronunciato. Il team ha anche considerato le inclinazioni assiali comprese tra 0 e 90 gradi. L'inclinazione assiale della Terra è di 23,5 gradi. Un pianeta con un'inclinazione di 90 gradi "si siederebbe su un fianco" e sperimenterebbe variazioni climatiche stagionali estreme, proprio come il pianeta Urano.

Secondo le simulazioni, che comprendevano un arco di tempo di 1 milione di anni su ciascun mondo, mondi simili alla Terra mostravano climi che andavano da climi a "palla di neve" in tutto il pianeta, con ghiaccio presente a tutte le latitudini, a una fumante "serra umida", che è probabilmente simile al clima di Venere prima che un effetto serra incontrollato rendesse la sua superficie abbastanza calda da sciogliere il piombo. Ma anche se la maggior parte degli ambienti nelle simulazioni cadeva da qualche parte tra questi estremi, il ghiaccio superficiale parziale era presente solo su circa il 10% degli ipotetici esopianeti abitabili.

Il modello includeva variazioni naturali nel tempo nell'inclinazione e nell'orbita assiale di ogni mondo, il che in parte spiega la generale mancanza di ghiaccio sugli esopianeti abitabili, secondo il coautore Russell Deitrick, scienziato post-dottorato all'Università di Berna e ricercatore del Virtual Planetary Laboratorio.

"Le orbite e le inclinazioni assiali cambiano continuamente", ha affermato Deitrick. "Sulla Terra, queste variazioni sono chiamate cicli di Milankovitch e hanno un'ampiezza molto piccola. Ma per gli esopianeti, questi cambiamenti possono essere piuttosto grandi, il che può eliminare del tutto il ghiaccio o innescare stati di "palla di neve".

Quando era presente ghiaccio parziale, la sua distribuzione variava in base alla stella. Intorno alle stelle di tipo F, le calotte polari, come quelle attualmente sportive della Terra, sono state trovate circa tre volte più spesso delle cinture di ghiaccio, mentre le cinture di ghiaccio si sono verificate due volte più spesso delle calotte dei pianeti attorno alle stelle di tipo G e K. Le cinture di ghiaccio erano anche più comuni sui mondi con inclinazioni assiali estreme, probabilmente perché gli estremi stagionali mantengono i climi polari più volatili rispetto alle regioni equatoriali, secondo Wilhelm.

Le scoperte del team sul ghiaccio su questi mondi simulati simili alla Terra dovrebbero aiutare nella ricerca di mondi potenzialmente abitabili mostrando agli astronomi cosa possono aspettarsi di trovare, in particolare per quanto riguarda la distribuzione del ghiaccio e i tipi di clima.

"Il ghiaccio superficiale è molto riflettente e può modellare l'aspetto di un esopianeta attraverso i nostri strumenti", ha affermato Wilhelm. "La presenza o meno del ghiaccio può anche influenzare il modo in cui il clima cambierà a lungo termine, indipendentemente dal fatto che raggiunga un estremo, come una "Terra a palla di neve" o una serra in fuga, o qualcosa di più moderato".

Ice alone, or its absence, does not determine habitability, though.

"Habitability encompasses a lot of moving parts, not just the presence or absence of ice," said Wilhelm.

Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."