Quando il Sole era solo un bambino, quattro miliardi di anni fa, ha attraversato una fase durante la quale ha emesso violente esplosioni di radiazioni, spedendo nuvole di particelle di energia intensa e fulminea attraverso il sistema solare.
Quest’attività solare ha aiutato a seminare la vita sulla Terra primordiale, innescando reazioni chimiche che hanno reso la Terra calda e umida.
Nonostante ciò, potrebbe essere stata proprio l’attività del Sole ad avere impedito alla vita di emergere su altri mondi, in particolare Venere e Marte, privandoli delle loro atmosfere e di una grande quantità di sostanze chimiche necessarie alla vita.
Quanto siano state distruttive le esplosioni primordiali del Sole con l’emissione di flares, mortali per i mondi che colpivano, dipendeva da quanto rapidamente il piccolo Sole di allora ruotasse sul suo asse. Più velocemente il Sole ruotava, più drammatica sarebbe stata l’azione del Sole sulle possibilità che i mondi del sistema solare divenissero abitabili.
Questo parte della storia del Sole, però, ha travolto gli scienziati, dice Prabal Saxena, astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland.
Saxena studia il clima spaziale del sistema solare, ovvero le variazioni dell’attività solare e delle altre condizioni che influenzano le radiazioni che attraversano lo spazio sotto l’azione del Sole. Il suo lavoro consiste anche nel comprendere come le variazioni dell’attività solare interagiscono con le superfici dei pianeti e delle lune.
Ora, lui e altri scienziati si stanno rendendo conto che la Luna, dove la NASA manderà astronauti nel 2024, contiene indizi sulle prime fasi della storia del Sole, che sono cruciali anche per comprendere lo sviluppo della vita nel sistema solare.
“Non sappiamo con precisione che aspetto avesse il Sole nei suoi primi miliardi di anni, ed è molto importante perché probabilmente la sua azione cambiò l’evoluzione dell’atmosfera di Venere sottraendole rapidamente quasi tutta l’acqua. Probabilmente influenzò anche la velocità con cui Marte perse la sua atmosfera, e cambiò la chimica atmosferica della Terra“.
La connessione Sole-Luna
Saxena si è ritrovato ad indagare sulle attività del Sole primitivo mentre contemplava una cosa apparentemente non correlata: perché, quando la Luna e la Terra sono fatte in gran parte delle stesse cose, c’è molto meno sodio e potassio nella regolite lunare rispetto a quello presente nel suolo terrestre?
Anche questa domanda, rivelata attraverso l’analisi dei campioni lunari prelevati dalle missioni Apollo e dei meteoriti lunari trovati sulla Terra, ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni e ha sfidato la teoria principale su come si formò la Luna.
Il nostro satellite naturale ha preso forma, secondo la teoria, quando un oggetto delle dimensioni di Marte si schiantò sulla Terra, circa 4,5 miliardi di anni fa. La violenza di questo impatto lanciò moltissimo materiale in orbita, materiale che finì per coagularsi in quella che oggi è la Luna.
“La Terra e la Luna dovrebbero essersi formate più o meno con materiali simili, quindi la domanda è: perché la Luna è poveri di certi elementi che invece sono abbondanti sulla Terra?” si chiede Rosemary Killen, planetologa al Goddard, che studia l’azione del clima spaziale sulle atmosfere e le esosfere planetarie.
I due scienziati sospettano che la storia del Sole sia sepolta nella crosta della Luna.
I precedenti lavori di Killen sono stati la base di partenza per lo studio. Nel 2012, alcuni studi precedenti sono serviti per simulare l’effetto che l’attività solare ha sulla quantità di sodio e di potassio che viene rilasciata sulla superficie della Luna o scaricata dal vento solare o dalle potenti eruzioni solari note come espulsioni di massa coronale.
Saxena ha calcolato la relazione matematica tra la velocità di rotazione di una stella e la sua attività di flare.
Questa intuizione è stata ricavata da scienziati che hanno studiato l’attività di migliaia di stelle scoperte dal telescopio spaziale Kepler della NASA: più velocemente una stella ruota, più violente sono le sue espulsioni.
“Grazie allo studio di altre stelle e pianeti, in particolare stelle come il nostro Sole, cominciamo ad ottenere un quadro più chiaro su come il Sole si è evoluto nel tempo“, ha detto Saxena.
Usando sofisticati modelli di computer, Saxena, Killen e colleghi pensano che potrebbero aver finalmente risolto entrambi i misteri.
Le loro simulazioni al computer, che hanno descritto su The Astrophysical Journal Letters, mostrano che il Sole primordiale ruotava più lentamente del 50% rispetto alla media delle stelle giovanissime. Secondo le loro stime, durante il primo miliardo di anni di esistenza, il Sole impiegava almeno 9-10 giorni per completare una rotazione.
Questa stima è stata determinata simulando l’evoluzione del nostro sistema solare sotto una stella lenta, media e quindi a rotazione rapida. E hanno scoperto che solo una versione – la stella a rotazione lenta – sarebbe stata in grado di far esplodere la giusta quantità di particelle cariche sulla superficie lunare da far cadere le quantità di sodio e potassio che vediamo oggi sulle rocce lunari.
“Il clima spaziale è stato probabilmente una delle principali influenze su come si sono evoluti tutti i pianeti del sistema solare“, ha detto Saxena, “quindi qualsiasi studio sull’abitabilità dei pianeti deve considerarlo.”
Vita sotto il Sole primordiale
La velocità di rotazione del Sole è in parte responsabile della vita sulla Terra. Ma per Venere e Marte – entrambi pianeti rocciosi simili alla Terra – potrebbe averla preclusa (Mercurio, il pianeta roccioso più vicino al Sole, non ha mai avuto una possibilità).
L’atmosfera terrestre era una volta molto diversa da quella dominata dall’ossigeno che conosciamo oggi.
Quando la Terra si formò, 4,6 miliardi di anni fa, era circondata da un sottile involucro di idrogeno ed elio che le esplosioni del giovane Sole spazzarono via nel giro di 200 milioni di anni.
Quando la crosta terrestre si solidificò, i vulcani cominciarono lentamente a formare una nuova atmosfera attraverso i gas espulsi durante le eruzioni: anidride carbonica, anidride solforosa, vapore acqueo e azoto.
Nel corso dei successivi miliardi di anni, nacquero i primi batteri che cominciarono a consumare l’anidride carbonica, liberando in cambio metano e ossigeno nell’atmosfera.
Nel frattempo, la Terra aveva anche sviluppato un campo magnetico che la proteggeva dalla furia del Sole, permettendo alla nostra atmosfera di trasformarsi nell’aria ricca di ossigeno e azoto che respiriamo oggi.
“Siamo stati fortunati che l’atmosfera della Terra sia sopravvissuta a quei primi miliardi di anni terribili“, ha detto Vladimir Airapetian, eliofisico e astrobiologo senior del Goddard, che studia come il clima solare influenza l’abitabilità dei pianeti terrestri. Airapetian ha lavorato con Saxena e Killen nello studio del Sole primordiale.
Se il Sole fosse stato una stella a rotazione veloce, avrebbe emesso brillamenti 10 volte più forti di qualsiasi altro nella storia registrata, almeno 10 volte al giorno.
Persino il campo magnetico terrestre non sarebbe stato sufficiente a proteggere il nostro pianeta. I flares solari avrebbero spazzato via l’atmosfera primordiale, riducendo la pressione dell’aria così tanto che la Terra non avrebbe potuto mantenere acqua liquida.
Ma il giovane Sole ruotava ad un ritmo ideale per la Terra, che potè evolversi verso la situazione attuale.
Venere e Marte non furono così fortunati. Venere sembra che una volta fosse coperta da oceani d’acqua e probabilmente presentava condizioni molto simili a a quelle della Terra. A causa di molti fattori, però, tra cui l’attività solare e la mancanza di un campo magnetico generato internamente, Venere ha perso l’idrogeno, una componente fondamentale dell’acqua. Di conseguenza, i suoi oceani evaporarono entro i suoi primi 600 milioni di anni, secondo le stime.
L’atmosfera del pianeta si è fatta densa di anidride carbonica, una molecola pesante che è più difficile da soffiare via per il vento solare. Questo ha portato ad un forte effetto serra che mantiene tuttora Venere a una temperatura media di 462 gradi Celsius, troppo calda per la vita.
Marte, più lontano dal Sole che non dalla Terra, sembrerebbe più al sicuro dalle esplosioni solari. Tuttavia, era meno protetto della Terra sia per il debole campo magnetico che lo caratterizza, sia per la bassa gravità, fattori grazie ai quali il Sole primordiale fu gradualmente fu in grado di sottrargli via gran parte dell’aria e dell’acqua.
Circa 3,7 miliardi di anni fa, l’atmosfera marziana era diventata così sottile che l’acqua liquida evaporò rapidamente nello spazio. (L’acqua esiste ancora sul pianeta, congelata nelle calotte polari e nel terreno.)
Dopo aver influenzato la nascita, o meno, della vita sui pianeti interni, l’invecchiamento del Sole ha gradualmente rallentato la sua velocità di rotazione e continua a farlo. Oggi ruota una volta ogni 27 giorni, tre volte più lentamente di quanto non fosse nella sua infanzia. Lo spin più lento lo rende molto meno attivo, anche se il Sole ha ancora scoppi violenti di tanto in tanto.
Esplorare la Luna, testimone dell’evoluzione del Sistema Solare, per conoscere il primo Sole
Secondo Saxena, non occorre guardare oltre la Luna, uno dei manufatti più ben conservati del giovane sistema solare.
“Il motivo per cui la Luna si rivela un calibratore davvero utile e una finestra sul passato è che non ha un’atmosfera e non presenta tettonica a placche che erodono e rimescolano la crosta“, ha detto. “Quindi, se le particelle solari o altro ne colpiscono la superficie, il suolo della Luna dovrebbe mostrare la prova di ciò‘”.
I campioni prelevati dalle missioni Apollo e le meteoriti lunari sono un ottimo punto di partenza per sondare il sistema solare primitivo, ma sono solo piccoli pezzi in un grande e misterioso rompicapo.
I campioni provengono da una piccola regione vicino all’equatore lunare, e gli scienziati non possono dire con certezza assoluta da dove sulla Luna provenissero i meteoriti, il che rende difficile collocarli in un contesto geologico.
Dal momento che il Polo Sud ospita crateri permanentemente in ombra dove ci aspettiamo di trovare il materiale meglio conservato sulla Luna, compresa l’acqua ghiacciata, la NASA intende inviare proprio lì la prossima spedizione umana entro il 2024.
Se gli astronauti possono ottenere campioni di suolo lunare dalla regione più meridionale della Luna, potrebbero permettere ai ricercatori di ottenere le prove fisiche della velocità di rotazione del Sole primordiale, spiega Airapetian, il quale sospetta che le particelle solari all’epoca furono deviate dall’antico campo magnetico della Luna, 4 miliardi di anni fa, e depositate ai poli.
“Ci aspettiamo, che la chimica di quella parte della Luna, quella esposta al giovane Sole, sia ben diversa da quella delle regioni equatoriali. Ci sarà tanto da studiare.” Ha concluso lo scienziato.
