Come potremo sapere se un pianeta extrasolare è simile alla Terra

Negli ultimi 30 anni, siamo passati dal non sapere se ci fossero pianeti come il nostro intorno ad altre stelle a un catalogo che ne contiene migliaia.

Oggi sappiamo di oltre 4.000 esopianeti confermati, alcuni dei quali possiedono persino proprietà che presumiamo possano essere favorevoli alla vita.

Tuttavia, il pianeta più “tipico” trovato dalla missione Kepler della NASA non è esattamente come qualsiasi cosa trovata nel nostro Sistema Solare, ma piuttosto ha una massa e una dimensione a metà tra la dimensione della Terra e quella di Nettuno.

Pianeti così, sono più simili alla Terra, con superfici e atmosfere sottili, o sono come Nettuno, con grandi involucri di gas volatili?

Questa è la domanda che si è posto il dottor Xinting Yu, un borsista post-dottorato presso l’UC Santa Cruz, che scrive per suggerire un nuovo modo di guardare a un problema di vecchia data:

Il problema è il seguente. Il modo in cui abbiamo scoperto la stragrande maggioranza degli esopianeti è attraverso il metodo del transito. Possiamo immaginare due possibilità per come sarebbe guardare i pianeti orbitare intorno al nostro Sole da molto lontano:

1. o vediamo i pianeti orbitare attorno al Sole con un angolo sufficientemente ampio da non essersi mai incrociati davanti o dietro al Sole dalla nostra prospettiva,
2. o l’orientamento delle orbite planetarie può essere quasi, o anche perfettamente, di taglio, in modo che alcuni, o forse anche tutti i pianeti, alla fine e periodicamente si incroceranno davanti o si nasconderanno dietro il Sole.

La seconda opzione è rara, ovviamente. Ma dato che la missione Kepler della NASA ha osservato lo stesso pezzo di cielo, oltre 100.000 stelle contemporaneamente per un periodo di ~ 3 anni durante la sua missione principale, non sorprende che abbia scoperto migliaia di stelle con pianeti intorno a loro.

Non solo, ma molte di quelle stelle avevano più pianeti, e almeno un sistema ne contiene tanti quanto il nostro, cioè otto, per quanto ne sappiamo finora.

• la massa del pianeta,
• le dimensioni del pianeta,
• e la distanza orbitale del pianeta dalla stella,

possiamo iniziare a pensare alla domanda più scottante che hanno in mente gli astronomi che studiano questi esopianeti: quale di questi pianeti, se ce ne sono, potrebbe essere adatto alla vita? E, se siamo molto, molto fortunati, qualcuno di loro potrebbe davvero essere abitato?

Sappiamo, sia dal nostro Sistema Solare che dalle osservazioni che abbiamo fatto intorno ad altre stelle, che è molto, molto probabile che alcuni esopianeti siano pianeti rocciosi simili a quelli che troviamo nelle nostre vicinanze: Terra, Venere, Marte e Mercurio. Potrebbero essere senz’aria come Mercurio, avere atmosfere molto sottili come Marte, avere atmosfere favorevoli alla vita e all’acqua come la Terra, o avere atmosfere sostanziali, ma non da giganti gassosi, come Venere.

Abbiamo visto, sulla base delle densità di molti mondi, che la stragrande maggioranza dei pianeti con masse inferiori a 2 masse terrestri e raggi inferiori a circa 1,2 raggi terrestri sono, in effetti, rocciosi come quelli del nostro sistema solare.

Il problema è che, nonostante tutti i nostri progressi nel trovare, caratterizzare e comprendere gli esopianeti, ce ne sono ancora relativamente pochi abbastanza piccoli e di massa abbastanza bassa da essere decisamente rocciosi.

Inoltre, è probabile che solo un sottoinsieme più piccolo di questi sia abitabile, poiché la maggior parte di essi è troppo calda o troppo fredda per ospitare potenzialmente acqua liquida sulle loro superfici.

Tuttavia, quelli che attualmente chiamiamo pianeti super-Terra sono in realtà il tipo più comune di esopianeta trovato dalla missione Kepler della NASA. Se alcuni, la maggior parte o tutti questi pianeti intermedi risultassero effettivamente avere superfici solide con atmosfere sottili, potrebbero rivoluzionare la ricerca della vita oltre la Terra.

• quanto velocemente il pianeta ruota sul suo asse,
• se ha una copertura nuvolosa totale o parziale e qual è la composizione di quelle nuvole,
• se ha continenti e oceani liquidi e quale frazione è coperta d’acqua,
• se ha calotte polari che crescono e si restringono con le stagioni, insegnandoci il clima planetario,
• se i colori dei continenti diventano verdi e bruni, o cambiano in altro modo con le stagioni periodiche,

e molti altri affascinanti dati.

Sfortunatamente, non sappiamo ancora se l’unico telescopio che è stato proposto in grado di effettuare tali osservazioni – la missione di punta della NASA attualmente in fase di revisione, LUVOIR – sarà selezionato per essere costruito e lanciato.

Ma che lo sia o no, non vogliamo dover aspettare più di un decennio da oggi per trovare quelle risposte. L’imaging diretto di questi mondi potrebbe non essere all’orizzonte immediato, ma il James Webb Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto entro la fine dell’anno, può insegnarci la composizione di un esopianeta in un modo diverso: attraverso quella che chiamiamo spettroscopia di transito.

Quando un esopianeta passa davanti al disco della sua stella madre, la maggior parte di quella luce viene bloccata dal disco di quel pianeta. Ma – proprio come la Luna diventa rossa durante un’eclissi lunare, perché la luce solare filtra attraverso l’atmosfera terrestre, rossa in modo più efficiente del blu, e arriva poi alla Luna – una piccola porzione della luce che passa assorbirà determinate lunghezze d’onda della luce di più di altre.

Sarà molto difficile sapere se un esopianeta è abitato, poiché tutto ciò che ci aspettiamo di ottenere da queste misurazioni indirette sono “suggerimenti” verso la possibile esistenza della vita. Tuttavia, la domanda se l’esopianeta che stiamo osservando abbia o meno una superficie – se si tratta di una super-Terra o di un mini-Nettuno – potrebbe essere risolta non appena il James Webb Space Telescope lo osserverà.

L’intuizione chiave, che il nuovo articolo descrive in dettaglio, è arrivata pensando alle atmosfere di due mondi molto, molto diversi nel nostro Sistema Solare: Giove, il pianeta più grande di tutti, e Titano, la luna gigante di Saturno, che è l’unica luna nel Sistema Solare con un’atmosfera più densa di quella terrestre.

Perché?

Perché Giove ha un’atmosfera densa e più si va in profondità, più diventa caldo. L’azoto più denso può scendere negli strati inferiori, mentre i volatili più leggeri possono risalire e ripopolare l’atmosfera superiore.

Al contrario, Titano ha un’atmosfera sottile, il che significa che il gradiente di temperatura tra la sua superficie e l’atmosfera superiore è piccolo. Nel corso del tempo, l’ammoniaca si esaurisce e non viene sostituita, lasciando solo l’azoto.

Misurando i rapporti di qualcosa di semplice come l’azoto e l’ammoniaca, possiamo determinare, dalla modellazione fotochimica, se c’è un’atmosfera sottile – e quindi, una superficie – o un’atmosfera così spessa che non ci sono prove per una superficie.

Con il James Webb Space Telescope e la tecnica della spettroscopia di transito, tuttavia, potremo fare un enorme balzo in avanti: potremo determinare quali di questi esopianeti più grandi della Terra sono mini-Nettuni con enormi involucri gassosi e quali sono davvero super-Terre, con atmosfere sottili e superfici solide.