CONOSCIAMO STELLE E PIANETI 1B – Pianeti giganti

Conosciamo e osserviamo stelle e pianeti – Primo incontro – 8/5/2013 Un posto in cui vivere # Titolo 20 Pianeti Gassosi 21 22 23 24 Appunti Ricordate la foto di famiglia dei pianeti rocciosi? Eccoli ora a confronto con i pianeti giganti, o pianeti gassosi. Sono molto più grandi! Essi non hanno una superficie di solida roccia. I pianeti gassosi sono composti di gas, per lo più idrogeno. Hanno una composizione simile a quella del Sole. Non hanno quindi una superficie sulla quale si possa camminare: già questo rende la vita come la intendiamo impossibile, ma è comunque interessante conoscere questi giganti. Sembra che sotto uno strato di gas sia presente uno strato di idrogeno metallico (almeno nei più grandi, Giove e Saturno) ed un core solido di roccia e ghiaccio al centro, piccoli rispetto al pianeta. Urano e Nettuno contengono invece anche gas elio, acqua, metano, ammoniaca che danno loro un colore diverso. Giove Il capo degli dei. E’ il primo dei giganti gassosi ed il più grande pianeta: può contenere la Terra 1430 volte. Compie un giro intorno al Sole in 12 anni circa. E’ composto principalmente di gas, idrogeno. Possiede però un core solido, grande poco più della Terra, ma più massiccio perché schiacciato e compresso dal peso degli stati sovrastanti. Il peso crea attorno uno strato di idrogeno liquido metallico spesso 40000 km. L’aspetto più spettacolare di Giove sono le sue nubi e la bande. Giove Nelle nubi si individuano molte tempeste. Tra esse, la Grande Macchia Rossa. È una enorme tempesta permanente, con venti fino a 360 km/h. Essa varia in dimensioni ed arriva fino a 3‐4 volte la Terra. Vita: nell'interno di Giove c'è una zona a circa 0°, però siamo nello strato di H liquido e la pressione equivale a quella che si ha circa 3000 m sott'acqua. Satelliti di Giove Giove possiede più di 60 satelliti. I quattro più grandi hanno circa le dimensioni della Luna o maggiori e sono stati scoperti da Galileo. Hanno i nomi di amanti e compagne di Giove: (da sinistra a destra) Io, Europa, Ganimede, Callisto. Ganimede è il satellite più grande del Sistema solare, più grande di Mercurio. I satelliti sono corpi che girano intorno al pianeta invece che intorno al Sole, come la Luna attorno alla Terra, quindi nel loro moto attorno a Giove si possono osservare le loro ombre transitare sul disco del pianeta (eclissi). Satelliti di Giove: Uno dei più interessanti è Io. E’ un satellite molto attivo e ricco di vulcani che emettono Immagini getti con altezze da 70 a 280 km, molto più di quanto succede sulla Terra. I punti scuri sono quelli attivi, da dove si hanno le eruzioni: hanno temperature di 20°, mentre le zone circostanti sono a ‐146°. I colori accesi sono dovuti alle sostanze (solfuri) eruttate. Infatti in realtà più che vulcani sono geyser. 25 Satelliti di Giove: Ci sono foto in cui vengono riprese le eruzioni. Così lontano dal Sole, la temperatura Io dovrebbe essere molto bassa. Si ritiene che l’energia per queste eruzioni provenga dal pianeta Giove stesso, che deforma Io grazie alla sua forte gravità, con un fenomeno corrispondente alle nostre maree. C’è anche un video delle eruzioni: la sonda New Horizons, diretta verso Plutone, ha ripreso delle immagini che hanno consentito la creazione di un’animazione. Il materiale eruttato congela per le basse temperature e si deposita al suolo formando uno strato spesso 10m ogni anno. La superficie è dunque in costante evoluzione. Vita: questo satellite possiede un'atmosfera, ma la bassa gravità fa sì che essa sfugga continuamente. Si mantiene per i gas emessi dai vulcani. La superficie è continuamente sconvolta e spesso è molto calda o molto fredda: non è un buon ambiente. 26 Satelliti di Giove: Europa è poco più piccola della Luna. Ha una superficie abbastanza liscia, con pochi Europa crateri e un gran numero di crepe. 27 Satelliti di Giove: Sembra come un vetro rotto, oppure ghiaccio rotto. Europa 28 Satelliti di Giove: Altre immagini assomigliano alla banchisa, con blocchi di ghiaccio e crepe. Europa 29 Satelliti di Giove: Europa è ricoperta da uno strato di ghiaccio spesso 100 km. Europa orbita attorno a Europa Giove, compiendo un giro ogni 3,5 giorni e mostrandogli sempre la stessa faccia. Poiché l’orbita è ellittica le forze mareali cambiano rapidamente e questo potrebbe essere causa delle crepe che vediamo nel ghiaccio e mantiene il satellite più caldo di quanto dovrebbe essere, rendendo possibile la presenza di un oceano di acqua liquida sotto lo strato di ghiaccio (immagine). Dalle crepe fuoriuscirebbe l’acqua sottostante formando le righe scure che vediamo. Per lo stesso motivo potrebbe esserci un oceano liquido anche sotto la superficie di Ganymede (molto sotto, perché non disturba i crateri). L’oceano inoltre potrebbe spiegare il campo magnetico di Europa, generato da flussi di acqua salata ionizzata (sotto l’influsso del campo magnetico di Giove). Europa Jupiter System Mission è una missione in progetto della NASA per studiare Europa e Ganymede, in particolare per i loro oceani (partirebbe nel 2020 per arrivare nel 2029). Io 30 Satelliti di Giove: Ci potrà essere vita sotto i ghiacci di Europa? Non sembra un ambiente ospitale. Europa Tuttavia sulla Terra esistono questi “vermi giganti”, lunghi anche 2 metri che vivono sul fondo dell’oceano, in corrispondenza delle dorsali atlantiche a 3800 m di profondità, e non sfruttano l’energia del Sole, ma quella proveniente dal sottosuolo. Nelle dorsali ci sono le “fumarole nere” (ci sono anche le bianche, a temperatura minore) che sono emissioni di acqua (non vapore, per le alte pressioni) a 400° ricca di solfuri di ferro. Incontrandosi con l’acqua fredda i solfuri si depositano formando una nube nera. A causa del calore si ha pure emissione di radiazione infrarossa, che viene usata da batteri fototrofi per fare fotosintesi. Sembra insomma che sulla Terra la vita si sia adattata a qualunque condizione, purché ci sia acqua. Magari potrebbe fare lo stesso nello spazio. 31 Saturno Saturno ha il nome del dio delle messi. E’ il secondo pianeta più grande. Fu osservato per primo da Galileo, ma fu Huygens (1655) a capire che aveva gli anelli. Fa un giro attorno al Sole in 29 anni. La struttura interna del pianeta è la stessa di Giove, con un core roccioso e lo strato di idrogeno metallico liquido. Presenta nelle parti esterne la stessa struttura a bande di Giove, ma meno appariscente perché lo strato superficiale di nubi oscura quelle sottostanti. Ci sono venti a 1800 km/h. 32 Saturno Gli anelli sono molto sottili: appena 2 km contro un diametro di 273000 km. Sono composti da pezzetti di rocce e ghiaccio molto riflettenti che orbitano attorno al pianeta. Le dimensioni vanno fino a 10m, ma le più comuni sono di 1cm. Notare anche che gli anelli si dividono in centinaia di anellini intervallati da zone semivuote dette divisioni. La più grande è la divisione di Cassini. Questa bellissima foto è stata scattata con il Sole alle spalle di Saturno ed ha permesso di scoprire che gli anelli sono molto più estesi di quanto prima si credesse, anche se diventano meno evidenti. Vita: stesso discorso che per Giove. 33 Satelliti di È impossibile quantificare i satelliti di Saturno: i frammenti degli anelli sono satelliti o Saturno no? Comunque i satelliti più grossi sono tantissimi, più di 60. Titano è il più grande (5000 km, secondo solo a Ganimede e più grande di Mercurio) ed è l’unico satellite del Sistema Solare ad avere un’atmosfera. Essa non permette di vedere la superficie. 34 Satelliti di L’atmosfera di Titano ha una pressione di circa 1,5 atmosfere ed è responsabile di un Saturno: Titano effetto serra al contrario: riflettendo nello spazio molta energia, rende la temperatura più bassa di quanto sarebbe a quella distanza dal Sole. L’atmosfera è al 98,4% di azoto, ma c’è un 1,4% di metano e tracce del resto. Titano è verosimilmente fatto per metà di rocce (nucleo centrale) e per metà di ghiaccio. Siccome è più riflettente del dovuto alle onde radio, si pensa che sotto la superficie ci sia uno strato liquido: la riflessione dovrebbe essere alla superficie di separazione. Questo strato liquido sarebbe di acqua ed ammoniaca e potrebbe quindi essere ancora 35 Satelliti di Saturno: Titano 36 Satelliti di Saturno: Titano caldo. Sono anche stati osservati spostamenti di traslazione degli elementi della superficie di 30 km dal 2005 al 2007: potrebbe essere dovuto ai forti venti, con lo strato superficiale che galleggia sul liquido. Ma cosa c’è sulla superficie? Per attraversare la coltre di nubi si può usare il radar. Il suolo è piuttosto liscio, senza crateri (pochissimi). Il metano è vicino alla temperatura in cui si può trovare allo stato solido, liquido e gassoso (come l’acqua sulla Terra). Al suolo potrebbero quindi esserci laghi e fiumi di metano liquido, alla temperatura di ‐178°. Questa foto (radar) sembra immortalare fiumi che forse vanno a gettarsi in un mare (la parte scura a sinistra). La parte brillante dovrebbe essere suolo irregolare (rialzato anche), la parte scura suolo più liscio o meno riflettente. Nell’altra foto sembra di riconoscere dune, disposte in file che piegano attorno a strutture emergenti di tipo roccioso (quelle chiare). Sono forse fatte di sabbia ricca di ghiaccio o idrocarburi e potrebbero essere create da forti venti prodotti dalle forze mareali di Saturno. Insomma, questo paesaggio sembra modellato dalle stesse forze che agiscono sulla Terra, anche se al posto dell’acqua c’è probabilmente il metano. 37 Satelliti di Saturno: Titano La curiosità di vedere come fosse questo mondo era probabilmente troppa per il mondo degli astronomi perché resistessero. La sonda Huyghens (2005, ESA, priva di motori) faceva parte della missione Cassini (NASA) ed era progettata per atterrare su Titano e fornire le prime immagini della superficie. Qui vedete un disegno di come ci si attendeva la discesa sulla superficie attraverso l’atmosfera. Vediamo ora un video realizzato con le immagini inviate dalla sonda durante la discesa, fino all’atterraggio. È emozionante pensare di assistere all’atterraggio su un nuovo mondo. Come avete visto, la sonda non ha individuato presenza di liquidi sulla superficie, ma è atterrata su un terreno dalla consistenza tipo sabbia bagnata, quindi potrebbe essere a periodi coperta da liquidi. Questa sabbia potrebbe essere di granelli di ghiaccio. Per studiare il suolo ha usato un penetrometro. Si ipotizza inoltre che siano possibili piogge di composti organici di colore scuro, che vengono creati nell’alta atmosfera dalla radiazione ultravioletta del sole. Una volta sulla superficie, sarebbero "lavati" via dalle colline da piogge di metano e si depositerebbero in tempi lunghissimi sulle pianure. L’assenza di liquidi potrebbe essere dovuta al fatto che era la stagione secca, oppure le caratteristiche “erosive” potrebbero essere dovute a criovulcanismo (vulcani che invece di lava eruttano acqua, ammoniaca o composti di metano, che ghiacciano dopo l’eruzione per le basse temperature esterne) invece che a laghi, piogge e mari. Dall’orbita è stato recentemente individuato l’Ontario Lacus, un lago fatto di etano, che confermerebbe la presenza di un ciclo idrogeologico del metano analogo a quello nostro 38 Satelliti di Saturno: Titano 39 Satelliti di Saturno: Encelado 40 Satelliti di Saturno: Encelado dell’acqua. Attualmente è in fase di progetto un'ulteriore missione congiunta da parte di NASA ed ESA, denominata Titan Saturn System Mission, che dovrebbe comprendere un'orbiter per lo studio di Titano e degli altri corpi che compongono il sistema di Saturno, una mongolfiera per lo studio dell'atmosfera e della superficie di Titano ed un lander acquatico, TiME, per lo studio dei mari. Se verrà approvata, la missione potrebbe essere lanciata nel 2020. Vita: Titano assomiglia alla Terra quando si formò la vita. Infatti c'è una densa atmosfera che protegge dai raggi ultravioletti e ci sono dei laghi, delle piogge e delle nevicate. Solo che non si tratta di acqua, ma di metano! Ciò che su Titano rende difficile la vita è l'estremo freddo. Quindi, ci può essere vita? Difficile, però… Sulla Terra, sul fondo dell’oceano nel Golfo del Messico, sono stati scoperti (2007) questi animali, sono tipo dei centopiedi e vivono su montagnole di ghiaccio di metano (si forma naturalmente a causa delle alte pressioni, anche se spesso è nascosto sotto il fondo dell’oceano). Sono lunghi da 1 a 2 pollici. Forse vivono in simbiosi con dei batteri. Forse questi animali possono colonizzare gli idrati di metano anche quando sono sepolti. Encelado è un piccolo satellite, di diametro 505 km (meno della lunghezza dell’Inghilterra). Si trova nell’anello E di Saturno, quello molto sottile che abbiamo visto prima. Questo anello è molto esteso (non si sa bene fino a dove), ma modelli matematici dimostrano che dovrebbe essere instabile: per sopravvivere, deve essere rifornito continuamente di particelle. Subito si è pensato che questa materia venisse da Encelado. Nel 2005 la Cassini ha ripreso dei pennacchi eruttati vicino al polo sud. Da misure legate al magnetismo ed analisi spettroscopiche si è capito che si tratta di ghiaccio d’acqua, azoto, metano, anidride carbonica (la temperatura media è circa ‐200°C), stesa composizione dell’anello E di Saturno. Questo fenomeno si chiama criovulcanismo: invece di magma, vengono eruttati elementi volatili. L'analisi combinata delle immagini, della spettrografia di massa e di dati magnetosferici hanno suggerito che il pennacchio viene emanato da camere pressurizzate sottosuperficiali, analogamente ai geyser terrestri. Poiché non è stata rilevata ammoniaca nei materiali espulsi, che poteva fungere da anticongelante, le camere pressurizzate potrebbero essere costituite da acqua pura liquida ad una temperatura di circa 0°C. L'acqua pura richiederebbe per fondere più energia, proveniente da forze mareali o sorgenti radiogeniche, rispetto ad un misto di acqua e ammoniaca. Oppure il ghiaccio potrebbe sublimare: una regione calda si trova vicino al polo sud, con temperature attorno a ‐180°C e delle piccole aree che raggiungevano i ‐116°C. Queste temperature sono troppo elevate per essere causate dal riscaldamento solare, quindi alcune zone della regione polare sono riscaldate dall'interno del satellite. In tali condizioni il ghiaccio è caldo a sufficienza per sublimare ad una velocità superiore rispetto alla superficie, generando un pennacchio. Lo strato sotto‐
superficiale che riscalda il ghiaccio di superficie potrebbe essere una fanghiglia mista di acqua e ammoniaca a temperature di 170 K, che richiederebbe meno energia per produrre il getto. Tuttavia, l'abbondanza di particelle nei pennacchi favorisce il modello a "geyser freddo", invece del modello della sublimazione del ghiaccio. In alternativa, Kieffer et al. (2006) ha suggerito che i geyser potrebbero essere generati da clatrati idrati, dove anidride carbonica, metano e idrogeno vengono rilasciati quando sono esposti al vuoto dello spazio dalle fratture. Questa ipotesi non richiederebbe l'energia per sciogliere il ghiaccio richiesta dal modello a "geyser freddo" e spiegherebbe anche la mancanza di ammoniaca. C’è anche una sottilissima atmosfera, prodotta da questi pennacchi (ma Encelado è troppo piccolo per trattenerla). Si sa che Encelado non è solo fatto di ghiaccio d’acqua, ma ha un consistente nucleo di roccia (dall’effetto gravitazionale sulla sonda Cassini). Il riscaldamento potrebbe essere stato originato da decadimenti radioattivi e mantenuto dalle forze mareali, fornendo l’energia per i fenomeni di criovulcanismo. Come si diceva, sembra che sulla Terra la vita si sia adattata a qualunque condizione, purché ci sia acqua: ad esempio potrebbe esserci nel lago Vostok, in Antartide, sepolto sotto 4 km di ghiaccio (non c’è conferma di vita in questo lago; se ci fosse, indicherebbe la possibilità di vita ad esempio su Encelado, ma anche su Europa). Intanto non ci resta che immaginare (vedi disegno) che aspetto possa avere questo mondo. Saturno apparirebbe fermo in cielo (rotazione sincrona) con gli anelli visti quasi di taglio. La luna che si vede è Mimas (quella più interna di Encelado di dimensioni utili). Encelado è il quarto mondo del sistema solare per il quale sia confermata attività geologica (dopo la Terra, Io e Tritone, luna di Nettuno). 41 Urano 42 Nettuno 43 Satelliti di Nettuno Urano ha il nome del dio del cielo. Si vede a occhio nudo, ma fu riconosciuto come pianeta per caso da Herschel nel 1781 (appare come una stella piccola e insignificante, che però si muove). Nessuno infatti sospettava che esistessero altri pianeti oltre a quelli noti dall’antichità. Ha una temperatura di ‐200° ed ha circa la struttura di Giove e Saturno, ma composizione diversa (come Nettuno): anche se ci sono idrogeno (solo 15%) ed elio, c’è una quantità proporzionalmente importante di ghiacci di acqua, ammoniaca, metano (quello che da il colore) ed idrocarburi. Il nucleo di Urano è composto da rocce e non pare abbastanza grande da avere un centro di idrogeno metallico, come Giove e Saturno. Urano ha anelli molto sottili. Non mostra dettagli, non ci sono le bande ed i vortici di Giove, ma ci sono prove di cambiamenti stagionali e di venti fino a 900 km/h. Ha 27 satelliti. Il suo asse di rotazione è quasi parallelo al piano dell’orbita (forse per un’antica collisione con un altro protopianeta), quindi rivolge un polo verso il Sole: lo stesso polo rimane verso il Sole per 42 anni (84 anni è il periodo di rotazione). Nonostante ciò è più caldo all’equatore (che riceve poca luce solare): non si sa perché. È stato visitato dalla Voyager 2 soltanto (1986) e non ci sono altre missioni in programma. Nettuno ha il nome del dio delle acque. È un po’ più piccolo di Urano, ma un po’ più massiccio. Ha anelli molto sottili e 13 satelliti. Fu il primo pianeta scoperto matematicamente, per via delle perturbazioni sull’orbita di Urano, nel 1841. La sua composizione è simile a quella di Urano, con il colore dovuto al metano. Mostra delle strutture nelle nubi: la Grande Macchia Nera è grande come la Terra. È stata vista dalla Voyager 2, ma nel 1994 HST non l’ha più rilevata. Ci sono comunque altre tempeste, con venti fino a 600 m/s. Le strutture bianche sono le nuvole più alte, simili ai nostri cirri. Anche questo pianeta è stato visitato solo dalla Voyager 2 nel 1989. Ora questa sonda viaggia verso lo spazio interstellare, si stima che raggiungerà il sistema di Sirio nell’anno 358000. Nettuno possiede anelli molto sottili e 13 satelliti. Il maggiore (diametro 2700 km) è Tritone (il settimo del sistema solare, dopo Titano, la Luna e i 4 medicei), che è il corpo celeste più freddo che sia stato visitato dalla Voyager 2: ‐238°. Esso ha una tenue atmosfera ricca di azoto. Risulta geologicamente attivo, infatti ci sono relativamente pochi crateri. Ci sono geyser che eruttano metano, azoto liquido o polveri fino a 8 km, in maniera simile ad Encelado. Vita: Tritone potrebbe assomigliare ad Europa, con un possibile oceano sotto una superficie ghiacciata. L’esistenza di forme di vita però è difficile, perché è troppo freddo; inoltre la luna si trova dentro la magnetosfera di Nettuno, cosa molto dannosa per eventuali organismi. 44 Plutone 45 Ricapitolando Plutone ha il nome del dio dell’oltretomba. È più piccolo della Terra (2300km) ed è composto di roccia. È così lontano che se ne sa poco: nessuna sonda lo ha mai raggiunto. Abbiamo solo una mappa a bassissima risoluzione fatta da HST. Dovrebbe avere una temperatura di ‐220°. Non si sa come sia la sua superficie ma ci si aspetta che sia ricoperta di ghiacci, con un nucleo roccioso. Vita: troppo freddo. Uno dei problemi dei luoghi troppo freddi è che le reazioni chimiche coinvolte e che generano la vita avvengono troppo lentamente. Plutone ha un satellite, Caronte, grande poco meno del pianeta stesso. Si sa poi che ha altri tre satelliti, Nix ed Hydra, più un terzo. Una curiosità: in inglese il nome del pianeta è Pluto, da cui prende il nome il cane dei fumetti. Plutone non è più considerato un pianeta. Nella zona di Plutone e oltre c’è una fascia popolata da corpi celesti (fascia di Kuiper) più piccoli di pianeti, dei quali Plutone potrebbe far parte. Un’altra ipotesi sulla sua origine è che fosse un satellite di Nettuno che è stato da questo pianeta perso. New Horizons è una sonda lanciata nel 2006 che dovrebbe raggiungere Plutone nel 2015, per poi proseguire verso la fascia di Kuiper. Gli oggetti della fascia di Kuiper (se ne conoscono circa 800), di cui Plutone fa parte, potrebbero essere soprattutto comete senza coda, espulse da Giove dalle regioni interne del Sistema Solare in formazione. Il più grande oggetto di questa fascia non è Plutone, ma Eris (anche se di poco). Alcune simulazioni mostrano la possibilità che ci siano anche oggetti più grandi, come Marte o la Terra. Recentemente è stato scoperto un oggetto ancora più lontano della fascia di Kuiper: Sedna. Questo corpo potrebbe essere (ma è controverso) il primo scoperto della Nube di Oort, una distribuzione sferica di oggetti ancora più lontani, alla quale appartengono probabilmente le comete di lungo periodo, come la Hale‐Bopp (quelle cioè che passano con periodi di migliaia di anni). Molti credono però che il bordo interno di questa nube sia ancora più lontano. Infine qualcuno ipotizza che appena al di là della nube di Oort ci sia una piccola stella nana bruna compagna del Sole, responsabile delle periodiche estinzioni di massa avvenute sulla Terra (il suo passaggio devierebbe alcune di queste comete dalla propria orbita, indirizzandole verso l’interno del Sistema Solare con possibilità di impatto con i pianeti). Riepilogo: i luoghi più adatti (o meno inadatti) alla vita tra quelli che abbiamo trovato sono: Marte (in passato), Europa (se ci fosse acqua sotto la superficie), Titano, Encelado, Tritone. Per questi ultimi tre operò le condizioni sarebbero davvero difficili! Ma potremmo provare a cercare più lontano!