CONOSCIAMO STELLE E PIANETI 1A – Pianeti rocciosi

Conosciamo e osserviamo stelle e pianeti – Primo incontro – 8/5/2013 Un posto in cui vivere # Titolo 1 Un posto in cui vivere 2 La vita: cosa indendiamo Appunti Questo incontro sarà un viaggio (per lo più nel nostro circondario astronomico) alla ricerca di luoghi diversi dalla Terra dove sia possibile la vita. A quanto ne so, non esiste ancora un modo davvero soddisfacente di definire cosa sia la vita. Riflettendo su questo tema, Schrödinger arrivò ad un apparente paradosso: tutti i fenomeni fisici seguono il secondo principio della termodinamica, quindi tutti i sistemi vanno incontro ad una distribuzione omogenea dell'energia, verso lo stato energetico più basso, cioè subiscono un costante aumento di entropia. Questo apparentemente non corrisponde ai sistemi viventi, i quali si trovano sempre in uno stato ad alta energia (quindi un disequilibrio). Il disequilibrio è stazionario, perché i sistemi viventi mantengono il loro ordine interno fino alla morte. Questo, secondo Schrödinger, significa che i sistemi viventi contrastano l'aumento di entropia interno nutrendosi di entropia negativa, cioè aumentando a loro favore l'entropia dell'ambiente esterno. In altre parole gli organismi viventi devono essere in grado di prelevare energia dall'ambiente per sostituire l'energia che perdono, e quindi mantenere il disequilibrio stazionario. Questo è ciò che in biologia è stato riconosciuto nei fenomeni di metabolismo e omeostasi. Può essere definito vivente un sistema termodinamico aperto, in grado di mantenersi autonomamente in uno stato energetico di disequilibrio stazionario e in grado di dirigere una serie di reazioni chimiche verso la sintesi di se stesso. Questa definizione è largamente accettata nell'ambito della biologia, nonostante ci sia ancora dibattito in merito. Per noi non è così importante definire precisamente la vita: ognuno ha una propria idea personale di cosa sia e ci basta. Osservate questo filmato tratto da Star Wars‐Il ritorno dello Jedi. Non guardate ai protagonisti, ma ai personaggi sullo sfondo. A prima vista sembrano molto diversi da noi, ma le differenze sono solo superficiali: hanno tutti testa, occhi, mani, gambe…la nostra stessa struttura. Nell’universo potrebbero esistere forme di vita totalmente diversa dalla nostra, che noi non possiamo neppure immaginare. Ad esempio la vita, invece di essere basata sul carbonio, in altri luoghi potrebbe essere basata sul silicio. Quindi ci limitiamo a cercare posti dove noi potremmo vivere, oppure dove è possibile la vita come la Immagini 3 4 5 6 La vita: quali condizioni Il sistema solare Il sistema solare Il sistema solare conosciamo sulla Terra. Temperatura: deve essere intermedia. Se è troppo freddo, le reazioni chimiche (anche quelle alla base della vita) sono molto rallentate o addirittura impossibili; se è troppo caldo, ciò può addirittura impedire che si formino le unità base sulle quali anche la vita si fonda, le molecole (come accade sul Sole). La presenza di ossigeno sembra fondamentale sia per gli esseri viventi che traggono l’energia dal Sole, sia per quelli che mangiano altri esseri viventi. L’acqua è una fonte di ossigeno (non presente solo nell’aria) quindi la sua presenza sembra fondamentale per la vita I raggi UV, altamente energetici, possono distruggere le molecole. La protezione può essere l’atmosfera (strato di ozono) ma anche l’acqua per le creature marine. Un quadretto di famiglia nel quale i protagonisti sono: una stella, il Sole; otto pianeti; un pianeta nano (Plutone). Il bello di questa foto è che i pianeti sono rappresentati in scala, le loro dimensioni sono nella giusta proporzione. Ciò che non è in scala sono le distanze: se rappresentassi la Terra come un cerchietto di diametro 1 cm, il Sole dovrebbe essere di 1 m (per questo non si vede per interno nella foto) e la distanza Terra‐Sole corrisponderebbe a 100 m. I nomi dei pianeti nella foto (in ordine di distanza dal Sole): Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone. Perché il povero Plutone è stato declassato a pianeta nano? Questione di definizioni. La necessità di una definizione del termine pianeta è emersa dopo la scoperta di centinaia di corpi delle dimensioni di Plutone nel sistema solare. La seguente definizione è stata data il 24 agosto 2006 dall’Unione Astronomica Internazionale. Un pianeta è un corpo celeste che orbita attorno ad una stella, ma che, a differenza di questa, non produce energia tramite fusione nucleare, e la cui massa è sufficiente a conferirgli una forma sferoidale, laddove la propria dominanza gravitazionale gli permette di mantenere libera la sua fascia orbitale da altri corpi di dimensioni comparabili o superiori. Non rispettando l’ultima condizione, Plutone è un pianeta nano. Esistono altri corpi nel Sistema Solare: asteroidi (nella foto: Gaspra), comete, pulviscolo (pulviscolo interplanetario: circa 5 molecole per centimetro cubo nei pressi della Terra. L’atmosfera ha circa 100 miliardi di miliardi di molecole per centimetro cubo), rottami spaziali (il satellite precipitato nel settembre 2011 si chiamava UARS; ma ce ne sono molti altri: oltre 19000 oggetti in orbita). Ne parleremo diffusamente nel secondo incontro, quello sulle stelle cadenti. Per il momento lasciamo perdere questi corpi: infatti sono troppo piccoli per ospitare la vita (inoltre non hanno atmosfera, acqua, ecc.) 7 8 Il sistema solare Esploriamo i pianeti Come facciamo ad avere informazioni sugli altri pianeti? Tramite diversi canali: • Telescopi: dallo spazio (Hubble, diametro 2,4m; adesso è in progettazione il telescopio spaziale James Webb (un ex amministratore della NASA) diametro 6,5m, opererà nell’infrarosso), oppure da Terra (i telescopi Keck alle Hawaii, sono i telescopi ottici più grandi al mondo con diametro di 10 m) • Missioni con astronauti: solo sulla Luna. • Sonde automatizzate: ad esempio la sonda Cassini, che è andata a studiare Saturno (ci ha messo 7 anni!) I viaggi sono lunghissimi perché le velocità delle nostre sonde sono basse rispetto alle distanze da percorrere. Inoltre non sempre la strada più breve è per le sonde la migliore: spesso esse hanno una serie di incontri con altri pianeti prima di raggiungere il loro obiettivo finale. Tali incontri servono a modificare la traiettoria e a ricevere ulteriori spinte proprio dalla gravità dei pianeti (fionda gravitazionale), visto che si muovono nello spazio per inerzia, senza cioè essere accelerate da dei motori. Nella nostra ricerca di luoghi abitabili, esploriamo uno a uno i pianeti, partendo da Mercurio, il più vicino al Sole. Prima però notiamo che i primi quattro hanno dimensioni paragonabili. Sono detti pianeti rocciosi, proprio perché fatti di roccia. Eccoli a confronto (foto). Notare che il pianeta gemello della Terra (almeno per dimensioni) non è Marte, ma Venere. Plutone è ancora presente per confronto, anche se non è un pianeta. 9 Cosa riconoscete? 10 Mercurio Il pianeta Mercurio (a sinistra) è simile alla Luna (la superficie di Mercurio è il 15% più scura) perché entrambi non hanno atmosfera e quindi sono pieni di crateri (la maggior parte degli oggetti celesti che cade ad esempio sulla Terra brucia nell’atmosfera; i crateri si cancellano con il tempo, ma non senza l’atmosfera e l’attività geologica). Mercurio è un po’ più grande (diametro di 4900 km contro 3500 km della Luna). La Luna ha più crateri perché si è raffreddata più rapidamente; su Mercurio invece i più antichi sono stati sommersi dalla materia fusa. 11 Mercurio 12 Venere 13 Venere Porta il nome del messaggero degli dei perché è il più veloce nel girare attorno al Sole. La sonda Messenger sta adesso inviando nuove immagini, prima ci era andata la Mariner ma non si aveva grande risoluzione e si era vista solo una faccia, adesso anche l'altra. Nessun sonda è mai atterrata sulla superficie di Mercurio. E’ il pianeta più piccolo. Sono state osservate delle scarpate (forse fratture formatesi nella contrazione dovuta al raffreddamento). Ci sono crateri anche molto grandi come quello detto Caloris Basin (1300 km di diametro, vedere immagine in falsi colori): l’impatto fu così forte da provocare un terremoto in tutto il pianeta e far spuntare delle colline dal lato opposto. Come detto, lo rende simile alla Luna la quasi assenza di atmosfera (è troppo piccolo per riuscire a trattenerla). Non ci sono venti e non c’è erosione. Non c’è effetto serra e ci sono grandi escursioni termiche: 400° di giorno, ‐200° di notte. Questo rende impossibile la vita. Ha il nome della dea della bellezza. E’ il secondo pianeta in distanza dal Sole. Le sue dimensioni sono simili a quelle della Terra. Su Venere il Sole resta visibile per 117 giorni consecutivi, perché ruota lentamente. La cosa curiosa però è che sorge ad ovest e tramonta ad est (la rotazione è retrograda). Spesso è l’oggetto più brillante del cielo, infatti riflette molto bene la luce. Dalla Terra però non si vedono dettagli superficiali. Conosciamo questo pianeta grazie alla sonda Venus Express, Magellano e alle sonde Venera e Pioneer: è stato il primo pianeta ad essere esplorato da una sonda. Il pianeta è avvolto da una spessa coltre di nubi che non permette di vedere il suolo. Sono le nubi a riflettere la luce in modo molto efficiente. Come sarà la superficie che non vediamo? Sono state mandate delle sonde dentro l’atmosfera per vedere cosa c’è: le sonde Venera (15 sonde russe, dal 1961 al 1984). Ecco il panorama (foto). Le nubi sono tra i 31 e i 68 km di altezza dal suolo. La parte bassa dell’atmosfera è invece limpida. In seguito col radar (immagine) si è potuta ottenere una mappa del suolo nella quale si vedono dei grandi vulcani (tutti ormai spenti), uno alto 6 km e largo 1000 km. La maggior parte del terreno è coperto da colline alte fino a 1000m. Ci sono due ampie regioni che si ergono sopra al resto come altopiani o continenti. Qui ci sono montagne alte fino a 11000m. I crateri sono pochi (coperti nel passato da lava). Venere però è un pianeta infernale a causa dell’atmosfera, nella quale si registrano anche fulmini. L’atmosfera non è fatta di aria respirabile ma di sostanze corrosive. Inoltre è molto più densa e pesante di quella terrestre: su un’area come uno scacco della dama l’aria soprastante esercita un peso equivalente a 600 kg. Si è formata per gas emessi da vulcani oggi spenti. Un’atmosfera così densa produce un enorme effetto serra e porta la temperatura ad una media di 464°C, con minima di ‐45°C e massima di 500°C. Ricapitolando: altissime pressioni, altissime temperature, atmosfera corrosiva. Non è 14 Marte 15 Marte 16 Marte possibile la vita, però assomiglia alla Terra primordiale. La vita è impossibile per esseri sofisticati, anche se alcuni batteri possono vivere a quelle altissime pressioni. Il terzo pianeta in distanza dal Sole è la Terra, il quarto è Marte. Porta il nome del dio della guerra. E’ l’unico pianeta terrestre del quale si possano vedere dettagli dalla Terra. Sono ormai molte però le missioni mandate verso Marte, a partire dal Viking (che era anche atterrato, così come poi si è fatto altre volte). Da Terra Schiapparelli vide delle strutture allungate che chiamò canali (1877). La parola fu tradotta male in inglese e si diffuse la notizia che aveva visto canali artificiali su Marte. Cassini nel 1666 aveva osservato le calotte polari. Visto il colore rossiccio si pensò che Marte fosse un pianeta con poca acqua ed i marziani avessero costruito canali per portare l’acqua dalle calotte. Si creò il mito dei marziani anche perché si osservò l’esistenza di stagioni come quelle terrestri, sebbene lunghe il doppio. L’atmosfera è più rarefatta di quella terrestre ed è irrespirabile (simile ai gas di scarico delle auto). La temperatura arriva al massimo a 20° e in inverno è così freddo che l’aria ghiaccia e si deposita come neve sulle calotte, mentre in primavera si scioglie. Ha 2 piccoli satelliti: Phobos e Deimos, i due cavalli di Marte. Con le sonde tutte queste ipotesi furono spazzate via: non c’erano canali né marziani. Si osservò un mondo deserto con crateri e tempeste di sabbia rossa (che erodono i bordi dei crateri) che possono avvolgere anche tutto il pianeta. (Il panorama è di uno dei Mars Rovers della NASA) Sebbene più piccolo della Terra, la superficie di Marte è più accidentata. Si osserva un enorme canyon chiamato Vallis Marineris, lungo 4000 km, largo circa 200 e profonda 7 (Grand Canyon: 450kmx29x1,6). Invece Hellas Basin (emisfero sud) è un cratere enorme, di 2300 km di diametro e profondo 9 km. L’emisfero nord è liscio, piatto e in media 6 km più basso del sud. Uno degli elementi più caratteristiche di Marte è il Monte Olimpo (foto): il più grande vulcano di tutto il Sistema Solare, alto 26km (il Mauna Loa è alto 8km). Ci sono altri vulcani, nessuno attivo. L’Olimpo si trova sul bordo di una spianata di 4000km e alta 10 km, chiamata Tharsis Dome. Questa immagine ricorda l’erosione prodotta dall’acqua. Lo stesso per questo video: un canyon a sud della Vallis Marineris, chiamato Hebes. Questo canyon è profondo anche 8km e ha una catena di monti proprio al centro, alti fino a 8km. Forse una volta era riempito da acqua e la parte centrale emergeva come un’isola. Si vedono come dei torrenti secchi scendere da vallette laterali. Grazie ad osservazioni come queste gli astronomi credono che ci fosse acqua liquida su Marte, ma queste sono prove per lo più vecchie di 3800 milioni di anni. 17 Marte 18 Vivere su Marte Sembra che in passato ci sia stata acqua in abbondanza: infatti si osservano dei letti di torrenti e fiumi. Quindi forse c’è stata la vita. Ma quanta acqua c’era? Al passare del tempo gli astronomi si sono convinti che ci sia stata una quantità di acqua sempre maggiore. Dov’è andata l’acqua? Si pensa (immagine) sia ghiacciata nel sottosuolo (permafrost). Circa 3 miliardi di anni fa eruzioni vulcaniche devono aver prodotto molta acqua che poi si è congelata nel sottosuolo. La sonda Phoenix è atterrata nella zona artica nel 2008, poco oltre il circolo ed ha trovato finalmente il ghiaccio. Si vede sotto la sabbia smossa dalle ruote del lander (foto) e nelle foto del suolo sembra di vedere il tipico terreno ghiacciato a poligoni che si trova anche sulla terra. Il 26 novembre 2011 è stato lanciato il Mars Science Laboratory, che arriverà nell’agosto 2012 ed avrà un modulo di atterraggio chiamato Curiosity grande come una utilitaria, in grado di eseguire esperimenti ed analisi per studiare il clima e la composizione del suolo. Quella sonda dovrebbe dirci di più sulla possibilità di vita passata. Ma quale vita? Non si sa. Intanto va ricordato che in alcune meteoriti marziane (non esistono meteoriti ad esempio venusiane, perché la sua atmosfera è troppo spessa per lasciar sfuggire rocce) degli scienziati dicono di aver trovato nanobatteri (foto), ma l’identificazione è controversa e il materiale organico trovato in queste meteoriti può essere una semplice contaminazione avvenuta sulla terra. È stato comunque trovato un elevato rapporto tra il carbonio‐12 (favorito nei processi viventi) ed il carbonio‐13 in rocce fino a 4 miliardi di anni vecchie. Mars Express ha anche trovato metano nell’atmosfera: potrebbe indicare la presenza di esseri viventi (alcuni producono metano e se non lo facessero tutt’oggi sarebbe già sparito reagendo con l’atmosfera) oppure che c’è ancora attività vulcanica (cosa che comunque sarebbe una sorpresa). Del pianeta Marte attuale, bisogna dire che non è un luogo molto ospitale. È freddo (temperatura media: ‐63°C, minima ‐143°C, massima +20°C); inoltre l'atmosfera rarefatta non offre protezione contro i raggi ultravioletti (dannosi per la vita) e crea problemi anche per la bassa pressione (il sangue bollirebbe a temperatura bassa). Nonostante ciò, Marte è sempre stato al centro dell’attenzione per quanto riguarda la possibilità di vita. Non per niente il termine “marziani” è usato spesso come sinonimo di extraterrestre. Si sono immaginate forme di vita marziane le più disparate (ad esempio nei film Mission to Mars, Mars attacks!, Pianeta Rosso e Fantasmi da Marte), molti film e storie sono ambientate su Marte e si è pensato a questo pianeta anche come a un possibile futuro luogo di vita per l’umanità. Come è possibile? Chiaramente un modo è costruire delle stazioni (Mission to Mars: una prima base per la prima missione umana su Marte; Atto di Forza: un base più avanzata per una presenza più massiccia e di più lunga durata). Oppure con il terraforming (inizio di “pianeta rosso”). 19 Terraforming La terraformazione è un ipotetico processo artificiale atto a rendere abitabile per l'uomo un pianeta (o una luna), intervenendo sulla sua atmosfera ‐ creandola o modificandone la composizione chimica ‐ in modo da renderla simile a quella della Terra ed in grado di sostenere un ecosistema. La terraformazione è molto al di là delle possibilità della tecnologia odierna e gli studi su di essa sono per ora speculativi. Un esempio di progetto per la terraformazione di Marte prevede di liberare grandi quantità di gas serra nell'atmosfera del pianeta, innalzandone la temperatura. Questo causerebbe la sublimazione di anidride carbonica dalle calotte polari, aumentando ancora l'effetto serra e facendo sciogliere eventuale ghiaccio presente nel sottosuolo marziano. Inoltre, abbiamo enormi riserve di ghiaccio d'acqua sulle due calotte polari, ghiaccio che non fonde mai in quanto lì la temperatura è sempre molto sotto lo zero. Il ghiaccio delle calotte, con l'aumento della temperatura, creerebbe grandi distese di acqua, che rimarrebbe liquida nelle stagioni estive o intermedie. Ciò porterebbe Marte ad avere acqua liquida, un clima più simile a quello terrestre e un'atmosfera più densa, a base di anidride carbonica. Infine si importerebbero sul pianeta delle piante che arricchiscano di ossigeno l'atmosfera tramite la fotosintesi. È stato calcolato che l'intero processo durerebbe più di centomila anni. Sono stati ideati processi più rapidi, ma dalla durata sempre misurabile in secoli. Il progetto di terraformare Venere usando alghe geneticamente modificate che consumino l'anidride carbonica con la fotosintesi è stato proposto nel 1961 da Carl Sagan. Negli anni seguenti si è però compreso che il metodo non sarebbe stato efficace: Venere è pressoché privo di acqua e inoltre, se la fotosintesi fissasse il carbonio in molecole organiche, questo sarebbe subito riconvertito in anidride carbonica dall'alta temperatura. Altri progetti per terraformare Venere comprendono l'uso di schermi solari spaziali per mantenere Venere in ombra e raffreddarlo fino al congelamento dell'anidride carbonica ‐ che potrebbe poi essere sepolta sotto la superficie o inviata su Marte ‐ o bombardare il pianeta con idrogeno che reagisca con l'anidride carbonica, producendo carbonio ed acqua. Il corpo celeste candidato non deve essere né troppo grande, né troppo piccolo: nel primo caso la forza di gravità sarebbe troppo forte per permettere una vita normale, nel secondo caso sarebbe troppo debole, non solo per permettere una normale deambulazione, ma soprattutto non sarebbe in grado di trattenere l'atmosfera che lentamente fuggirebbe nello spazio. Luna e Marte sono troppo piccoli per garantire una adeguata forza di gravità. In secondo luogo, il corpo celeste candidato dovrebbe essere dotato di un adeguato campo magnetico, allo scopo di respingere i raggi cosmici altamente energetici e pericolosi per le creature viventi. In terzo luogo, il pianeta candidato non dovrebbe essere né troppo lontano né troppo vicino alla stella dalla quale ricevere luce e calore. In conclusione, nel sistema solare, Venere è il solo pianeta candidato a diventare una seconda Terra, se si esclude il fatto che ha una rotazione assiale molto lenta.