Figura 1. La pistola a gas orizzontale a due stadi situata all'Università di Kobe.
Un gruppo di ricerca dell'Università di Kobe ha dimostrato che il calore generato dall'impatto di un piccolo corpo astronomico potrebbe consentire l'alterazione dell'acqua e la formazione di solidi organici sulla superficie di un asteroide. Hanno raggiunto questo obiettivo conducendo prima esperimenti di craterizzazione da impatto ad alta velocità utilizzando un materiale bersaglio simile a un asteroide e misurando la distribuzione del calore post-impatto attorno al cratere risultante. Da questi risultati, hanno quindi stabilito una regola empirica per la temperatura massima e la durata del riscaldamento, e ha sviluppato un modello di conduzione del calore da questo.
Il gruppo di ricerca era composto dai seguenti membri della Graduate School of Science dell'Università di Kobe; Docente YASUI Minami, TAZAWA Taku (studente del 2° anno di master al momento della ricerca), HASHIMOTO Ryohei (allora studente del 4° anno alla Facoltà di Scienze) e il Professor ARAKAWA Masahiko, oltre al ricercatore senior associato del JAXA Space Exploration Center OGAWA Kazunori (che era uno specialista tecnico presso l'Università di Kobe al momento dello studio).
Questi risultati hanno ampliato l'intervallo spaziale e temporale entro il quale potrebbero verificarsi le condizioni necessarie per l'alterazione acquosa e la formazione di solidi organici. Si prevede che ciò aumenterà significativamente il numero di potenziali corpi astronomici che potrebbero aver portato l'acqua e le origini della vita sulla Terra.
Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica britannica Comunicazioni Terra e Ambiente il 18 maggio, 2021.
Punti principali
Figura 2. Esempio di variazioni termiche:l'asse x indica il tempo trascorso, dove 0 è il momento dell'impatto. L'asse y mostra le differenze di temperatura dal pre-impatto in poi. Questo impatto è stato prodotto da un proiettile di alluminio con una velocità di impatto di 4,3 km/s. Le diverse linee colorate indicano la distanza tra il punto di impatto e le termocoppie. La durata è il tempo necessario affinché la temperatura massima si dimezzi. La foto mostra il cratere da impatto. Le termocoppie sono state incorporate nel bersaglio.
Background di ricerca
Si ritiene che l'acqua e le sostanze organiche necessarie per l'inizio della vita sulla Terra siano il risultato di una cometa o di un asteroide che ha colpito il pianeta. Minerali e sostanze organiche che hanno subito un'alterazione acquosa sono stati scoperti nei meteoriti (da cui hanno origine gli asteroidi), fornendo la prova che una volta contenevano acqua. Però, una fonte di calore è necessaria per le reazioni chimiche che causano alterazione dell'acqua e formazione di solidi organici all'interno degli asteroidi.
Una fonte di calore sufficientemente forte è il riscaldamento di decadimento radioattivo di 26 Al, un nuclide radioattivo di breve durata trovato all'interno delle rocce. Però, si dice che il riscaldamento radioattivo che ha causato l'alterazione acquosa e la formazione solida sui corpi genitori degli asteroidi (*4) potrebbe essersi verificato solo all'inizio della storia del sistema solare a causa della breve emivita di 26 Al (720, 000 anni).
Negli ultimi anni, la teoria secondo cui il calore da impatto generato quando un piccolo corpo astronomico colpisce un asteroide potrebbe anche essere una valida fonte di calore ha iniziato ad attirare l'attenzione. Però, non si sa quanto calore si genera in funzione delle caratteristiche del corpo astronomico (dimensioni, densità, velocità di impatto) e fino a che punto all'interno dell'asteroide viene trasmesso questo calore generato. Fino ad ora, non ci sono stati studi che hanno studiato sperimentalmente questo processo di generazione e propagazione del calore per determinare se l'alterazione acquosa e la formazione di sostanza organica sarebbero possibili.
Figura 3. A. Relazione tra temperatura massima e distanza adimensionale. B. Relazione tra durata e distanza adimensionale. La durata è scalata dal tempo di diffusione termica (*6). I colori indicano diversi proiettili e velocità di impatto:PC è una sfera in policarbonato con un diametro di 4,7 mm e Al è una sfera in alluminio con un diametro di 2 mm.
Metodologia di ricerca
Questo gruppo di ricerca ha condotto esperimenti di laboratorio per studiare la relazione tra il calore da impatto generato su un asteroide (a seguito dell'impatto di un piccolo corpo astronomico) e le caratteristiche dell'impatto. Per il bersaglio, usarono il gesso (un minerale poroso composto da solfato di calcio diidrato) per imitare un asteroide. Hanno accelerato i proiettili sul bersaglio a velocità di impatto elevate comprese tra 1 km/sa 5 km/s utilizzando la pistola a gas orizzontale a due stadi dell'Università di Kobe (Figura 1). Nel target in gesso sono state impostate più termocoppie per misurare le variazioni di temperatura dopo l'impatto. In questa serie di esperimenti, i ricercatori hanno cambiato le dimensioni, densità, velocità di impatto dei proiettili e posizione delle termocoppie per indagare le differenze di durata del calore in funzione delle caratteristiche dell'impatto (Figura 2).
Dal grafico della durata del calore, il gruppo di ricerca ha studiato la temperatura massima e la sua durata, e ha osservato come questo si collegasse alle caratteristiche dell'impatto (Figura 3). Utilizzando la distanza adimensionale ottenuta normalizzando la distanza dal punto di impatto (dove il proiettile ha colpito il bersaglio) per il raggio del cratere, hanno determinato con successo come la temperatura massima e la sua durata sono alterate dalle caratteristiche dell'impatto e hanno escogitato una regola empirica per questo. Successivamente costruendo un modello di conduzione del calore che incorpora questa regola empirica, hanno permesso loro di calcolare la distribuzione del calore attorno al cratere formato sulla superficie dell'asteroide (Figura 4). Il gruppo di ricerca ha confrontato i risultati numerici del modello di conduzione del calore con i dati sul calore e la durata richiesti per l'alterazione acquosa e la formazione di solidi organici ottenuti da analisi precedenti di meteoriti. Questi risultati hanno mostrato che l'alterazione dell'acqua potrebbe verificarsi se si formasse un cratere con un raggio di oltre 20 km entro 2 au dal sole. Inoltre, hanno stimato che anche un piccolo cratere con un raggio di 100 m su un asteroide entro 4 au potrebbe riscaldare fino a 100 gradi Celsius, il che significa che potrebbe supportare la formazione solida organica. La maggior parte degli asteroidi si trova entro 4 au. I ricercatori hanno anche scoperto che se si forma un cratere con un raggio di oltre 1 km entro 2au, la circonferenza del cratere può riscaldarsi fino a 0 gradi Celsius (la temperatura alla quale il ghiaccio diventa acqua), permettendo così la formazione di solidi organici.
Figura 4. Distribuzione del calore attorno al fondo del cratere dei corpi genitori di asteroidi calcolata utilizzando il modello di conduzione del calore:le linee tratteggiate sono linee di contorno isoterme. I numeri che soddisfano le curve di livello dell'isoterma indicano il valore ottenuto normalizzando la distanza dal punto di impatto per il raggio del cratere.
Ulteriori sviluppi
Si pensa che il riscaldamento del decadimento radioattivo di 26 Al innesca le reazioni chimiche per l'alterazione acquosa e la formazione di solidi organici sugli asteroidi. Però, questo riscaldamento può avvenire solo vicino al nucleo di asteroidi relativamente grandi che hanno un diametro di decine di chilometri. Per di più, si dice che ciò potrebbe essersi verificato solo entro un milione di anni dalla formazione del sole a causa della breve emivita di 26 Al. D'altra parte, collisioni tra asteroidi si verificano ancora oggi, ed è possibile che tali collisioni riscaldino la superficie anche di piccoli asteroidi, purché l'impatto non distrugga l'asteroide stesso. In altre parole, questi risultati della ricerca mostrano che il potenziale per gli asteroidi di supportare l'alterazione dell'acqua e la formazione di solidi organici è temporaneamente e spazialmente molto maggiore di quanto si pensasse in precedenza. Ciò contribuirà ad aumentare il numero di corpi astrologici considerati candidati che hanno portato l'acqua e le sostanze organiche per l'inizio della vita sulla Terra.
Successivamente il gruppo di ricerca spera di esaminare i campioni restituiti dalle missioni di esplorazione di asteroidi condotte non solo dal Giappone ma anche da altri paesi. Se nei campioni raccolti dovessero essere scoperti minerali o sostanze organiche alterate in modo acquoso, questo potrebbe fornire prove degli effetti del riscaldamento da impatto.
