Da qualche parte nella nostra galassia, un esopianeta probabilmente sta orbitando attorno a una stella più fredda del nostro sole, ma invece di solidificare, il pianeta potrebbe essere caldo grazie all'effetto serra causato dal metano nella sua atmosfera.

Gli astrobiologi della NASA del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo modello completo che mostra come la chimica planetaria potrebbe far sì che ciò accada. Il modello, pubblicato in un nuovo studio sulla rivista Geoscienze naturali , era basato su un probabile scenario sulla Terra tre miliardi di anni fa, ed è stato effettivamente costruito attorno alla sua possibile chimica geologica e biologica.

Il sole produceva allora un quarto di luce e di calore in meno, ma la Terra rimase temperata, e il metano potrebbe aver salvato il nostro pianeta da un congelamento lungo eoni, ipotizzano gli scienziati. se non fosse stato noi e la maggior parte della vita complessa probabilmente non saremmo qui oggi.

Il nuovo modello ha combinato più processi metabolici microbici con processi vulcanici, attività oceaniche e atmosferiche, che potrebbe renderlo il più completo del suo genere fino ad oggi. Ma mentre studiavo il lontano passato della Terra, i ricercatori della Georgia Tech hanno puntato il loro modello ad anni luce di distanza, volendo che un giorno aiuti a interpretare le condizioni sugli esopianeti scoperti di recente.

I ricercatori hanno impostato i parametri del modello in modo ampio in modo che possano essere applicati non solo al nostro pianeta ma potenzialmente anche ai suoi fratelli con le loro dimensioni variabili, geologie, e forme di vita.

La Terra e i suoi fratelli

"Avevamo davvero un occhio all'uso futuro con gli esopianeti per un motivo, " ha detto Chris Reinhard, ricercatore principale dello studio e assistente professore presso la School of Earth and Atmospheric Sciences della Georgia Tech. "È possibile che i modelli di metano atmosferico che stiamo esplorando per la Terra primordiale rappresentino condizioni comuni alle biosfere in tutta la nostra galassia perché non richiedono uno stadio evolutivo così avanzato come quello che abbiamo qui sulla Terra ora".

Reinhard e il primo autore Kazumi Ozaki hanno pubblicato il loro Geoscienze naturali carta dell'11 dicembre 2017. La ricerca è stata supportata dal Programma Postdottorato della NASA, la Società giapponese per la promozione della scienza, l'Istituto di Astrobiologia della NASA e la Fondazione Alfred P. Sloan.

I modelli precedenti hanno esaminato la miscela di gas atmosferici necessaria per mantenere calda la Terra nonostante l'originaria debolezza del sole, o studiato metabolismo microbico isolato che avrebbe potuto produrre il metano necessario. "In isolamento, ogni metabolismo non ha prodotto modelli produttivi che spiegassero bene quella quantità di metano, " ha detto Reinhard.

I ricercatori della Georgia Tech hanno sinergizzato quei metabolici microbici isolati, compresa l'antica fotosintesi, con la chimica geologica per creare un modello che rifletta la complessità di un intero pianeta vivente. E la produzione di metano del modello è aumentata a dismisura.

"È importante pensare ai meccanismi che controllano i livelli atmosferici dei gas serra nel quadro di tutti i cicli biogeochimici nell'oceano e nell'atmosfera, " ha detto il primo autore Ozaki, un assistente post-dottorato.

Carl Sagan e il debole sole

Il modello della Georgia Tech rafforza un'ipotesi principale che tenta di spiegare un mistero chiamato "paradosso debole del giovane sole" sottolineato dall'iconico defunto astronomo Carl Sagan e dal suo collega della Cornell University George Mullen nel 1972.

Gli astronomi hanno notato molto tempo fa che le stelle bruciavano più luminose man mano che maturavano e si indebolivano nella loro giovinezza. Hanno calcolato che circa due miliardi di anni fa, il nostro sole deve aver brillato circa il 25 per cento più debole di oggi.

Sarebbe stato troppo freddo per l'esistenza di acqua liquida sulla Terra, ma paradossalmente, prove evidenti dicono che l'acqua liquida esisteva. "Sulla base dell'osservazione del record geologico, sappiamo che doveva esserci acqua liquida, "Reinhard ha detto, "e in alcuni casi, sappiamo che le temperature erano simili a come sono oggi, se non un po' più caldo."

Sagan e Mullen hanno ipotizzato che l'atmosfera terrestre deve aver creato un effetto serra che l'ha salvata. Allora, sospettavano che l'ammoniaca fosse al lavoro, ma chimicamente, quell'idea si dimostrò meno fattibile.

"Il metano ha assunto un ruolo di primo piano in questa ipotesi, " Reinhard ha detto. "Quando ossigeno e metano entrano nell'atmosfera, si annullano chimicamente a vicenda nel tempo in una complessa catena di reazioni chimiche. Perché a quei tempi c'era pochissimo ossigeno nell'aria, avrebbe permesso al metano di accumularsi livelli molto più alti di oggi".

Ferro da stiro, e la fotosintesi della ruggine

Al centro del modello ci sono due diversi tipi di fotosintesi. Ma tre miliardi di anni fa, il tipo dominante di fotosintesi che conosciamo oggi e che pompa l'ossigeno potrebbe non essere ancora esistito.

Anziché, altri due processi fotosintetici batterici molto primitivi probabilmente erano essenziali per l'antica biosfera terrestre. Uno trasformò il ferro nell'oceano in ruggine, e l'altro idrogeno fotosintetizzato in formaldeide.

"Il modello si basava su molta attività vulcanica che emetteva idrogeno, " disse Ozaki. Altri batteri hanno fermentato la formaldeide, e altri batteri, ancora, trasformato il prodotto fermentato in metano.

I due processi fotosintetici sono serviti come molla dell'orologio del meccanismo dell'orologio del modello, che ha tirato in 359 reazioni biogeochimiche precedentemente stabilite che abbracciano la terra, mare e aria.

3, 000, 000 corse e metano infuria

Il modello non era il tipo di simulazione che produce un'animazione video dell'antica biogeochimica della Terra. Anziché, il modello ha analizzato matematicamente i processi, e l'output era numeri e grafici.

Ozaki ha eseguito il modello più di 3 milioni di volte, parametri variabili, e ha scoperto che se il modello conteneva entrambe le forme di fotosintesi che operano in tandem, che il 24 percento delle corse ha prodotto abbastanza metano per creare l'equilibrio necessario nell'atmosfera per mantenere l'effetto serra e mantenere l'antica Terra, o forse un pianeta extrasolare, temperato.

"Ciò si traduce in una probabilità di circa il 24% che questo modello produca una stabilità, clima caldo sull'antica Terra con un debole sole o su un esopianeta simile alla Terra attorno a una stella più fioca, " Ha detto Reinhard. "Altri modelli che hanno esaminato questi metabolismo fotosintetico isolatamente hanno probabilità molto più basse di produrre abbastanza metano per mantenere il clima caldo".

"Siamo fiduciosi che questo approccio statistico piuttosto unico significhi che puoi portare le intuizioni di base di questo nuovo modello alla banca, " Egli ha detto.

Altre spiegazioni per il "paradosso debole del giovane Sole" sono state più catastrofiche e forse meno regolari nelle loro dinamiche. Includono idee su attacchi di asteroidi di routine che provocano l'attività sismica con conseguente maggiore produzione di metano, o sul sole che spara costantemente espulsioni di massa coronale sulla Terra, riscaldandolo.