Come apparirebbe la Terra se fosse osservata da lontani astronomi alieni per i quali sarebbe un esopianeta? Cosa direbbe loro l’osservazione della Terra se stessero cercando segni di abitabilità e dell’esistenza della vita?
Questo potrebbe essere un divertente esperimento mentale ma l’esperimento non è solo divertente: è scientificamente istruttivo. In molti modi, è più facile studiare il nostro pianeta e come appare e quindi estrapolare i risultati paragonandoli alle osservazioni che facciamo degli esopianeti.
Un nuovo studio mostra che trovare prove della vita sulla Terra può dipendere dalla stagione che gli astronomi alieni stanno osservando. Quasi nulla nella scienza spaziale genera un’eccitazione tanto diffusa quanto trovare un pianeta potenzialmente abitabile. I titoli si diffondono in maniera virale attraverso Internet ritrasmessi dal tam tam dei siti e dei social.
Finora, la nostra tecnologia ci concede osservazioni molto limitate di un esopianeta e le nostre conclusioni si basano in massima parte sulla posizione di questi pianeti nella fascia abitabile della loro stella e sulla spettroscopia che ci permette di analizzare, in parte, l’atmosfera. Abbiamo molta strada da fare.
Ci vorrà molta scienza e ragionamento innovativo prima di arrivare al punto in cui possiamo dire “Sì. Questo esopianeta così lontano è abitabile“. Un nuovo studio potrebbe costituire un passo decisivo nel raggiungimento di quel punto, analizzando l’aspetto esteriore della Terra attraverso diverse stagioni.
Lo studio è “Earth as an Exoplanet: II. Earth’s Time-Variable Thermal Emission and its Atmospheric Seasonality of Bio-Indicators“. È disponibile sul sito di pre-stampa arXiv.org e l’autore principale è Jean-Noel Mettler, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell’ETH di Zurigo, studia Esopianeti e Abitabilità.
Le radici storiche di questo tipo di ricerca risalgono agli ’70 quando i primi veicoli spaziali robotici stavano visitando i pianeti del nostro Sistema Solare. In quegli anni, le sonde Pioneer 10 e 11 (Giove e Saturno) e Voyager 1 e 2 (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) hanno eseguito sorvoli di alcuni dei pianeti esterni del sistema solare.
Fu l’inizio di una caratterizzazione più approfondita di altri pianeti. Misurando UV e infrarossi, gli scienziati hanno imparato molto sulle proprietà delle atmosfere planetarie, delle superfici e del bilancio energetico generale. Ma oggi viviamo nel tempo della scienza degli esopianeti. Stiamo estendendo lo stesso tipo di osservazioni a pianeti distanti anni luce.
La sconcertante varietà di pianeti che abbiamo scoperto è interessante di per sé, ma se c’è un Santo Graal nella scienza degli esopianeti, deve essere l’abitabilità. Vogliamo sapere se c’è qualcos’altro che vive da qualche parte là fuori.
Con l’avanzare della nostra tecnologia, gli astronomi stanno ottenendo strumenti più potenti con cui studiare pianeti lontani. se ci fosse una civiltà tecnologica altrove nella Via Lattea, probabilmente starà facendo la stessa cosa.
Questo studio esamina lo spettro di emissione infrarossa della Terra, l’effetto di diverse geometrie di osservazione su quegli spettri e come le osservazioni apparirebbero a un osservatore molto più distante per il quale sarebbe un esopianeta.
I ricercatori hanno anche valutato come il cambiamento delle stagioni influisca sugli spettri. “Abbiamo appreso che esiste una significativa variabilità stagionale nello spettro di emissione termica della Terra e la forza delle caratteristiche spettrali dei bioindicatori, come N2O, CH4 , O3 e CO2 , dipende fortemente sia dalla stagione che dalla geometria di osservazione.”
Lo studio ha esaminato quattro diverse geometrie di osservazione: una centrata ciascuna sui poli nord e sud, una sull’equatoriale africano e una sull’equatoriale del Pacifico. Gli spettri sono stati osservati con l’ecoscandaglio a infrarossi atmosferico a bordo del satellite Aqua della NASA .
I ricercatori hanno scoperto che non esiste un singolo campione rappresentativo dello spettro delle emissioni termiche della Terra. I cambi di stagione lo rendono impossibile.
“Invece“, afferma il documento, “c’è una significativa variabilità stagionale nello spettro di emissione termica della Terra e la forza delle caratteristiche di assorbimento della biofirma dipende fortemente sia dalla stagione che dalla geometria di osservazione“.
I ricercatori hanno anche scoperto che le emissioni termiche variano notevolmente secondo la geometria. La variabilità delle letture è stata molto maggiore nel tempo al di sopra delle masse terrestri che al di sopra degli oceani. La vista equatoriale africana e la vista del Polo Nord erano centrate sulle masse continentali e mostravano una maggiore variabilità.
“In particolare, la vista polare dell’emisfero settentrionale (NP) e la vista equatoriale centrata sull’Africa (EqA) hanno mostrato variabilità annuali del 33% e del 22% alla lunghezza d’onda di picco della Terra a ≈ 10,2 µm, rispettivamente“, ha concluso il documento.
Ma la stabilità termica degli oceani significa una minore variabilità. “D’altra parte, la visualizzazione di geometrie con una frazione d’alto mare, come il polo dell’emisfero meridionale (SP) e la vista equatoriale centrata sul Pacifico (EqP), mostrano variabilità annuali inferiori dovute alla grande inerzia termica degli oceani“.
Il risultato complessivo di questa ricerca è che un pianeta vivo e dinamico come la Terra non può essere caratterizzato da un unico spettro di emissioni termiche. Ci sono troppe cose da analizzare qui sulla Terra e questo studio non ha nemmeno approfondito le nuvole e il loro effetto.
“È necessario un lavoro futuro per studiare come la frazione di nubi, la stagionalità delle nubi e le loro proprietà di fase termodinamica influenzino il rilevamento e il risultato della stagionalità atmosferica“, scrivono gli autori.
Gli autori affermano che alcune variazioni sono lievi e saranno sicuramente molto difficili da distinguere osservando pianeti lontani. I dati sporchi potrebbero oscurarli.
“Anche per la Terra e soprattutto per le viste equatoriali, le variazioni nel flusso e nella forza delle caratteristiche di assorbimento nei dati integrati nel disco sono piccole e in genere ≈ 10 percento. Districare queste variazioni dal rumore nelle future osservazioni degli esopianeti sarà una sfida“.
La complessità della Terra la rende un obiettivo difficile per questo tipo di osservazione e gli autori lo riconoscono. “Questa complessità rende molto impegnativa la caratterizzazione remota degli ambienti planetari“, spiegano.
“Usando la Terra come nostro banco di prova, abbiamo appreso che un pianeta e le sue caratteristiche non possono essere descritti da un singolo spettro di emissione termica, ma sono necessarie misurazioni multi-epoca, preferibilmente sia nella luce riflessa che nell’emissione termica“.
La maggior parte dei nostri rilevamenti degli esopianeti si basano sul transito di quei pianeti davanti alle loro stelle. Questo, ovviamente, pone molti limiti.
Il James Webb Space Telescope mira a studiare gli spettri di alcuni esopianeti con più potenza, quindi ci stiamo avvicinando al giorno in cui potremo capire meglio ciò che stiamo vedendo.
Questo studio ha testato un nuovo metodo per osservare gli esopianeti nel medio infrarosso anziché nella luce riflettente. Anche se c’è una variazione stagionale e osservando la variazione della geometria, “… troviamo che il nostro risultato è relativamente insensibile agli effetti diurni o stagionali, a differenza del caso delle misurazioni della luce riflessa“.
Mettler e i suoi co-ricercatori ritengono che il loro metodo possa fornire dati unici alle osservazioni degli esopianeti in luce riflessa. “Pertanto, concludiamo che l’osservazione di esopianeti con emissione termica potrebbe fornire informazioni uniche e complementari necessarie per la caratterizzazione dei pianeti terrestri attorno ad altre stelle“.
