Scoprire gli esopianeti è ormai quasi una routine. Abbiamo trovato oltre 5.500 esopianeti e il prossimo passo è studiare le loro atmosfere e cercare biofirme. Il telescopio spaziale James Webb è all’avanguardia in questo sforzo. Ma in alcune atmosfere di esopianeti, i fulmini potrebbero rendere più difficile il lavoro del JWST oscurando alcune potenziali firme biologiche e amplificandone altre.
Rilevare biofirme nelle atmosfere di pianeti lontani è irto di difficoltà. Non pubblicizzano la loro presenza e i segnali che riceviamo dalle atmosfere degli esopianeti sono complicati. Una nuova ricerca aggiunge un’altra complicazione allo sforzo. Dice che i fulmini possono mascherare la presenza di cose come l’ozono, un’indicazione che su un pianeta potrebbe esistere una vita complessa. Può anche amplificare la presenza di composti come il metano, considerato una firma biologica promettente.
La nuova ricerca si intitola "L'effetto dei fulmini sulla chimica atmosferica degli esopianeti e potenziali biofirme" ed è stata accettata per la pubblicazione sulla rivista Astronomy and Astrophysics . È disponibile su arXiv server di prestampa. L'autore principale è Patrick Barth, un ricercatore dell'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia austriaca delle scienze.
Anche se abbiamo scoperto oltre 5.500 esopianeti, solo 69 di loro si trovano nelle zone potenzialmente abitabili attorno alle loro stelle. Sono pianeti rocciosi che ricevono abbastanza energia dalle loro stelle per mantenere potenzialmente acqua liquida sulla loro superficie. La nostra ricerca di biofirme si concentra su questo piccolo numero di pianeti.
L’importante passo successivo è determinare se questi pianeti hanno atmosfere e quindi quale sia la composizione di tali atmosfere. Il JWST è il nostro strumento più potente per questi scopi. Ma per capire cosa ci mostra il JWST in atmosfere lontane, dobbiamo sapere cosa ci dicono i suoi segnali. Ricerche come questa aiutano gli scienziati a prepararsi per le osservazioni del JWST avvisandoli di potenziali falsi positivi e firme biologiche mascherate.
Nella loro ricerca, gli autori hanno combinato esperimenti di laboratorio con modelli di trasferimento fotochimico e radiativo. Le atmosfere possono essere straordinariamente complesse ed è improbabile che due esopianeti abbiano le stesse qualità atmosferiche. Ma la fisica e la chimica dettano cosa può accadere, e i modelli di trasferimento fotochimico e radiativo possono gestire migliaia di diversi tipi di reazioni chimiche nelle atmosfere.
Negli esperimenti di laboratorio la scarica di scintilla sostituiva il fulmine. I ricercatori si sono concentrati su atmosfere contenenti N2 , CO2 e H2 e i diversi prodotti prodotti dal fulmine. Altre ricerche hanno fatto lo stesso, ma questo lavoro è diverso. La ricerca precedente si concentrava su singoli prodotti o solo su un numero limitato di prodotti. Ma Barth e i suoi colleghi hanno approfondito quel lavoro. Hanno studiato la produzione di una più ampia varietà di sostanze chimiche.
Ciò ha permesso loro di "... studiare le tendenze nei nostri esperimenti riguardanti lo stato di ossidazione dei prodotti dei fulmini e l'influenza del vapore acqueo", spiegano. "In particolare, eravamo interessati all'effetto dei fulmini sulla produzione di potenziali (anti-)firme biologiche nel contesto delle osservazioni attuali e future delle atmosfere esoplanetarie."
I ricercatori hanno scoperto che l’effetto dei fulmini sulle biofirme dipende dal tipo di atmosfera e dalla quantità di fulmini. Hanno esaminato due grandi tipi di atmosfere:riducente e ossidante. Un'atmosfera riducente non contiene ossigeno o altri gas ossidanti e non può produrre alcun composto ossidato. Un'atmosfera ossidante è l'opposto. Contiene ossigeno, che produce composti ossidati.
I loro risultati mostrano che per un pianeta con acqua superficiale e condizioni abitabili con un’atmosfera leggermente riducente o leggermente ossidante, è meno probabile che i fulmini producano falsi positivi. Gli autori prevedono che "... per il tipo di atmosfere qui studiate, i fulmini non sono in grado di produrre un NH3 falso positivo o CH4 biofirma." Dicono che è anche improbabile che un fulmine possa produrre un falso positivo N2 O biofirma.
Ma il fulmine ha prodotto alcuni composti, tra cui CO e NO. I ricercatori hanno utilizzato i tassi di produzione di entrambe le sostanze chimiche per calcolare in che modo i tassi di fulmini influenzano la composizione chimica dell’atmosfera. Successivamente, hanno applicato quel modello ai pianeti delle dimensioni della Terra nelle zone abitabili del Sole e a TRAPPIST-1 per atmosfere sia ossiche che anossiche. Hanno condotto simulazioni di questi scenari su pianeti con e senza biosfera. Hanno anche calcolato gli spettri simulati di quei mondi per identificare le firme chimiche.
I loro risultati? "Abbiamo scoperto che i fulmini non sono in grado di produrre una firma biologica anti-CO falsa positiva su un pianeta abitato", spiegano gli autori. "In un'atmosfera ricca di ossigeno, tuttavia, la frequenza dei fulmini solo poche volte superiore a quella della Terra moderna può mascherare l'O3 firma biologica [ozono]."
Ma in altre situazioni, i fulmini possono prevenire falsi positivi. Nell'atmosfera anossica di un pianeta in orbita attorno a una vecchia nana rossa, i fulmini più frequenti di quelli della Terra possono rimuovere un tipo di falso positivo confondente.
"Allo stesso modo, nell'atmosfera anossica e abiotica di un pianeta in orbita attorno a una nana tardo M, i fulmini con velocità di lampo dieci volte o più di quelle della Terra moderna possono rimuovere la caratteristica abiotica dell'ozono prodotta dalla CO2 fotolisi, impedendo il rilevamento di firme biologiche false positive," spiegano. Dire che è complicato è un eufemismo.
C'è ancora un'altra svolta. I fulmini potrebbero non prevenire altri importanti falsi positivi. "... i fulmini potrebbero non essere in grado di prevenire tutti i falsi positivi O2 scenari per CO2 -ricchi pianeti terrestri che orbitano attorno a nane M ultrafredde," scrivono gli autori.
Chi ha un occhio per l'ironia potrebbe notarne qualcuno qui. Gli scienziati sono abbastanza sicuri che i fulmini abbiano avuto un ruolo nella vita sulla Terra fornendo la scintilla energetica che ha fatto girare la palla. Ma il fatto che i fulmini possano anche renderci più difficile la scoperta della vita è alquanto ironico.
Ma l’ironia è un artificio umano. Alla natura non importa. Fa quello che fa e sta a noi capirlo.
"In sintesi, il nostro lavoro fornisce nuovi vincoli per la completa caratterizzazione dei processi atmosferici e superficiali sugli esopianeti", concludono gli autori.
Ulteriori informazioni: Patrick Barth et al, L'effetto dei fulmini sulla chimica atmosferica degli esopianeti e potenziali biofirme, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.13682
Informazioni sul giornale: arXiv , Astronomia e astrofisica
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