La difficile ma riuscita misurazione di diversi isotopi del gas nobile xeno sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko utilizzando lo strumento bernese ROSINA sulla sonda Rosetta mostra che i materiali sono arrivati ​​sulla Terra a causa degli impatti della cometa. Come dimostrato da ulteriori misurazioni di Berna degli isotopi di silicio, all'inizio il nostro sistema solare era estremamente eterogeneo. L'elevata quantità di acqua cosiddetta "pesante" mostra anche che il ghiaccio cometario è più antico del nostro sistema solare.

Lo xeno è un incolore, gas inodore che costituisce molto meno di un milionesimo del volume dell'intera atmosfera terrestre. Come un gas nobile, raramente reagisce con altri elementi e quindi ha uno stato atomico relativamente stabile. È quindi una rappresentazione relativamente accurata delle condizioni che esistevano durante la formazione del nostro sistema solare. Lo xeno può anche aiutare a rispondere all'annosa domanda sulle comete:il materiale sulla Terra proviene da impatti di comete e, in caso affermativo, fino a che punto?

Un gruppo di ricerca guidato da Kathrin Altwegg presso il Center for Space and Habitability (CSH) dell'Università di Berna è stato in grado di dimostrare che la composizione dello xeno sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko è molto simile allo "xeno indigeno" posto per primo 40 anni fa, che è arrivato sul nostro pianeta dall'aldilà poco dopo la formazione del nostro sistema solare. Queste misurazioni, che ora sarà pubblicato in Scienza , mostrano che circa un quinto dello xeno indigeno proviene dalle comete. Ciò significa che per la prima volta possiamo tracciare un legame quantitativo tra le comete e l'atmosfera terrestre.

Impronta stellare

Lo xeno si forma in molti diversi processi stellari, comprese le esplosioni di supernova. Ciascuno di questi fenomeni porta ad una distribuzione tipica degli isotopi dello xeno, una specifica "impronta digitale". A causa dei suoi numerosi isotopi provenienti da vari processi stellari, lo xeno fornisce un'importante indicazione sui materiali autoctoni che compongono il nostro sistema solare. Gli isotopi dello xeno sono stati misurati nelle atmosfere della Terra e di Marte, in meteoriti provenienti da asteroidi, su Giove e nel vento solare – il flusso di particelle cariche dal sole. La composizione dello xeno nell'atmosfera terrestre ha isotopi più pesanti di quelli leggeri, poiché gli isotopi della luce possono sfuggire al campo gravitazionale terrestre nello spazio. Correggendo questo effetto, i ricercatori negli anni '70 calcolarono la composizione originale di questo gas nobile, il cosiddetto xeno indigeno che un tempo dominava l'atmosfera terrestre. Questo xeno indigeno contiene molti meno isotopi pesanti e la composizione degli isotopi leggeri è uguale a quella dello xeno proveniente dagli asteroidi e dal sole. Si riteneva quindi che lo xeno indigeno nell'atmosfera primitiva della terra avesse un'origine diversa rispetto agli oggetti osservati all'epoca nel sistema solare. Ciò è ora confermato dalle misurazioni ROSINA sulla sonda Rosetta presso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, un "fossile" ghiacciato del primo sistema solare.

Missione difficile

"La ricerca dello xeno sulle comete è stata probabilmente una delle misurazioni più importanti e difficili di ROSINA", dice Kathrin Altwegg, Capo progetto ROSINA presso il Centro per lo spazio e l'abitabilità (CSH) dell'Università di Berna. "Il fatto che in questo modo abbiamo risolto una parte di un mistero vecchio di 40 anni rende il tutto ancora più gratificante". Lo xeno è estremamente raro nella già sottile atmosfera della cometa. La sonda Rosetta ha quindi dovuto volare molto vicino alla cometa per settimane – da 7 a 10 km dal centro – in modo che ROSINA potesse raccogliere un segnale sufficiente per una chiara misurazione dei sette isotopi più comuni. Il rischio era che la densa nuvola di polvere che circondava la cometa potesse aver fatto scattare il sistema di navigazione della sonda. ROSINA è riuscita a identificare sette isotopi di xeno e vari altri gas nobili. L'analisi dei dati ha mostrato che lo xeno della cometa che è stato congelato durante la formazione della cometa differisce dalla composizione trovata nel sistema solare e dalla composizione trovata oggi nell'atmosfera terrestre. La composizione dello xeno cometaria è molto probabilmente uguale a quella dello xeno indigeno postulato nella prima atmosfera terrestre. Però, ci sono alcune differenze tra le due composizioni che portano i ricercatori a credere che lo xeno originale provenga in parte dalle comete e in parte dagli asteroidi:"Per la prima volta siamo stati in grado di stabilire un legame quantitativo tra le comete e l'atmosfera terrestre - secondo cui il 22 per cento dell'originale della terra, lo xeno atmosferico proviene dalle comete, mentre il resto viene dagli asteroidi" riassume Altwegg.

Nessuna contraddizione con l'acqua

Questi risultati non contraddicono la misurazione degli isotopi di ROSINA nell'acqua della cometa, che era significativamente diversa da quella dell'acqua indigena. Poiché lo xeno è disponibile solo in tracce nell'atmosfera mentre la Terra contiene grandi quantità di acqua negli oceani e nell'atmosfera, le comete potrebbero aver sicuramente contribuito allo xeno che si trova sulla Terra senza alterare troppo l'acqua indigena. "I risultati dello xeno supportano anche l'idea che il materiale organico sia arrivato sulla Terra attraverso le comete - come il fosforo e l'aminoacido glicina che sono stati entrambi trovati sulla cometa da ROSINA - che era potenzialmente cruciale per l'evoluzione della vita sulla Terra", afferma Altwegg. In definitiva, la differenza tra lo xeno della cometa e lo xeno che si trova nel sistema solare indica che la cosiddetta nebulosa protosolare che ha portato alla formazione del sole, pianeti e piccoli corpi, era un luogo chimicamente piuttosto eterogeneo. "Ciò supporta misurazioni precedenti di ROSINA come la scoperta inaspettata dell'ossigeno molecolare (O2) o dello zolfo molecolare (S2)", afferma Altwegg.

La seconda pubblicazione conferma i risultati

In un'altra pubblicazione, un gruppo di ricerca guidato da Martin Rubin (CSH) è riuscito a dimostrare che il silicio sulla cometa non mostra il rapporto isotopico medio del nostro sistema solare. I dati ROSINA mostrano quindi che il materiale del primo sistema solare proviene da varie stelle precedenti. Come con lo xeno, ciò significa che la composizione chimica del primo sistema solare era eterogenea, quindi non "uniformemente" mescolato come si credeva in precedenza. La seconda pubblicazione appare in Astronomia e Astrofisica . ROSINA aveva già scoperto atomi di silicio nell'involucro di gas della cometa all'inizio della missione. Questi atomi di silicio sono stati espulsi dalla superficie della cometa dall'impatto del vento solare. Un'analisi precisa di Martin Rubin del CSH ha ora dimostrato che anche gli isotopi di silicio presentano un'anomalia rispetto al silicio solare. Gli isotopi pesanti del silicio sono meno comuni rispetto al mix trovato vicino al sole e ai meteoriti. Ciò suggerisce che le comete si siano formate in un'area della nebulosa protosolare che mostra una composizione chimica non solare e quindi ha potenzialmente preso materiale da un'altra stella o supernova nelle vicinanze.

Anche l'acqua delle comete viene dall'aldilà

Una terza pubblicazione, anch'essa pubblicata di recente, dimostra definitivamente con l'uso degli isotopi dell'idrogeno che l'acqua cometaria – la cosiddetta acqua “pesante” (D2O) – si è formata prima della formazione del sistema solare ed è stata congelata come ghiaccio presolare nelle comete. Questi risultati sono stati pubblicati in un'edizione speciale di "Transazione filosofica della Royal Society, Londra".

"I nostri risultati in tutti e tre gli studi hanno raggiunto l'obiettivo principale della missione Rosetta, vale a dire trovare per la prima volta un'indicazione quantitativa della formazione della terra e del nostro sistema solare" dice Altwegg.