Cutispoto

La vita nel Sistema Solare
…. e non solo
G. Cutispoto
INAF - Osservatorio Astrofisico di Catania
[email protected]
Scuola Estiva di Astronomia
Stilo (RC) – 23 Luglio 2014
Alcuni interrogativi sulla vita…
Sappiamo ‘’veramente’’ cos’è la vita ?
Conosciamo o potremo mai prevedere ‘’tutte’’ le condizioni
dove può svilupparsi la vita ?
Se le condizioni sono del tutto ‘’favorevoli’’, la vita si
sviluppa sempre e fino a che ‘’livello’’ ?
La vita sulla Terra: tempi di evoluzione
- 4.5 miliardi: nasce la Terra
- 4 miliardi: prime rocce solide
- 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti
- 3.5 miliardi: primi batteri
età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni
- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gli
antenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra
- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis)
- 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens
(tempi in anni dall’epoca attuale)
La vita sulla Terra: fino a quando ?
Quale vita ?
 Forme ‘’elementari’’
 Organismi ‘’complessi’’
 Civiltà ‘’tecnologiche’’
Pericoli ‘’astronomici’’





Impatti
‘’Evoluzione’’ del Sole
Interferenza gravitazionale tra stelle
Scontri tra galassie
Supernova vicina
Pericoli ‘’non astronomici’’
 Stabilità/durata di una civiltà tecnologicamente evoluta
e sua influenza sull’abitabilità complessiva del pianeta
Il Sistema Solare
Sole
Pianeti (Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno)
Corpi Minori (Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete)
Terra
Distribuzione della massa: Sole: 99.85 %
Pianeti: 0.13 %
Corpi Minori: 0.02 %
Terra
Le orbite dei pianeti
Venere
Mercurio
Sole
Nettuno
Urano
Saturno
Marte
149.597.870 km = 1 UA
Giove
E’ la regione entro la
quale un pianeta ha una
temperatura tale da
poter mantenere
l’acqua allo stato
liquido sulla sua
superficie
La composizione
dell’atmosfera
del pianeta
gioca un ruolo
fondamentale
Sulla Terra l’effetto serra
innalza la temperatura
media da -21 C a +15 C
Fascia di abitabilità
Venere
Sole
Mercurio
Terra
Marte
Fasce di abitabilità “non convenzionali”
Marte
Europa
Encelado
Quali forme di vita sono possibili
nelle fasce ‘’non convenzionali’’ ?
Gli Asteroidi (o “Pianetini”)
Orbitano principalmente tra
Marte e Giove (fascia degli
Asteroidi, 2.1-3.3 UA)
Il più grande è Cerere
(diametro = 933 km) scoperto
nel 1801
La loro massa totale è di circa
1/1000 la massa della Terra
Fascia degli
Asteroidi
Orbita di Giove
Orbita di Marte
Orbita della Terra
Se ne conoscono oltre 100.000,
ma si stima che ne esistano
almeno un milione con diametro
maggiore di 1 km
Mathilde
Gaspra
Ida
59x47 km
19x12x11 km
58x23 km
Eros
33x13x13 km
Le “fasce” di Asteroidi
Fascia degli Asteroidi
Plutone
Nettuno
Urano
Cerere
Saturno
Giove
· Sole
Terra
Marte
La Fascia di Kuiper (30-50 UA)
potrebbe contenere 100.000 corpi
con D > 100 km e avere una massa
totale dell’ordine di 1/10 MTerra;
attualmente si conoscono oltre 800
KBO, il più grande dei quali è Eris
Giove
Fascia di Kuiper
Nube di Oort
E’ la regione più
esterna del Sistema
Solare
Si estende fino a
circa 50.000 UA
(Distanza di a Cen =
270.000 UA)
Si stima contenga 1.000 miliardi di comete, la cui massa totale
potrebbe essere dell’ordine della massa di Giove
Le Comete
Hyakutake (1996)
West (1976)
Conosciute ~ 4200
Periodiche ~ 480 (P < 200 anni)
Origine:
Fascia di Kuiper (breve periodo)
Nube di Oort (lungo periodo)
Swift-Tuttle (1992)
NComete ~ 1012; MComete ~ MGiove
NEA e PHA
I NEA hanno orbite con
distanza minima dal Sole
(perielio) minore di 1.3 UA,
quindi possono avvicinarsi
notevolmente alla Terra
Quelli che si avvicinano a
meno di 0.05 UA dalla
Terra sono detti PHA
Terra
NEA
PHA
Crateri da impatto
Luna
(faccia “nascosta”)
Mimas
Mercurio
Ganimede
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di
“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
x 100
𝟏
x
𝟑
Una frazione del tutto
trascurabile (6.7  10-18) della
massa della Terra
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di
“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
Dimensioni
Frequenza
Effetti
1 cm
2 cm
10 / h
1 / h
meteore
4 m
10 m
10 / anno
1 / anno
meteoriti
9 Ottobre 1992
massa iniziale del
meteorite ~ 12 ton
si disintegrano nell’atmosfera
possono raggiungere la superficie
Meteor Crater
Diametro = 1186 m
Profondità = 200 m
Diametro del meteorite = 25-30 m
Età = circa 49.000 anni
Velocità di impatto ~ 13 km/s
Wolf Creek (Australia)
età ~ 300.000 anni Diametro = 850m
Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati
Tunguska - 30 Giugno 1908
Asteroide (o Cometa), con un diametro
di circa 60 m, esploso a 6 km dal suolo
La distruzione fu totale in un raggio di
circa 30 km (energia liberata ~ 5 MT)
Il boato generato dall’esplosione fu
avvertito fino a Londra (20.000 km)
P = 1/1.000 anni
Dimensioni
Frequenza
Effetti
100 m
1 km
10 km
1 / 10.000 anni
1 / 1.000.000 anni
1 / 50.000.000 anni
distruzioni su scala “locale”
distruzioni su scala “planetaria”
estinzioni di massa
Le estinzioni di massa
Sono eventi improvvisi che comportano una notevole riduzione delle
specie viventi
 Hanno luogo su tutto il pianeta
 Coinvolgono un gran numero di specie anche molto diverse tra loro
 Avvengono in un lasso di tempo “breve”
Ne sono state identificate almeno 5;
si pensa che sono state causate da
grandi catastrofi naturali o da
notevoli e rapidi cambiamenti climatici
Tardo Ordoviciano (-438)
Tardo Devoniano (-360)
Fine Permiano (-245)
Tardo Triassico (-208)
Fine Cretaceo (-65)
L’estinzione dei Dinosauri
I dinosauri si sono estinti alla fine del Cretaceo e insieme con essi
scomparvero circa il 65% di tutte le specie animali e vegetali presenti
sulla Terra (in particolare tutte le forme di vita non acquatiche di peso
superiore ai 30 kg)
Questa estinzione di massa (estinzione K-T) segnò il passaggio
dall’era dei rettili a quella dei mammiferi
Da cosa è stata causata ?
Teorie proposte:
 Effetto serra (eruzioni vulcaniche)
 Cambiamenti climatici (variazione dell’orbita della Terra)
 Teoria “dell’impatto”
La teoria “dell’impatto”
Ipotizza che 65 milioni di anni fa la Terra sia stata colpita da un
“Asteroide” o da una “Cometa” con diametro di circa 10 km
La conseguenza fu l’estinzione di massa K-T, nel corso della quale
scomparvero circa il 65% delle specie allora presenti sulla Terra
La teoria, proposta nel 1980 da Luis e Walter
Alvarez, si basa sullo studio dei depositi
sedimentari (lo strato “K-T”) databili tra la
fine del Cretaceo e l’inizio del Terziario (circa
-65 milioni di anni)
Lo strato K-T mostra un’elevata concentrazione di Iridio (Ir), un
elemento rarissimo nella crosta terrestre ma molto abbondante nei
meteoriti, Biossido di Silicio e Tectide, forme di quarzo che si creano
solo in presenza di alte temperature e pressioni e Ceneri di origine
vegetale (per oltre 70 miliardi di tonnellate)
Lo strato K-T si trova in tutte le regioni della Terra e nessun fossile
dei grandi dinosauri è mai stato trovato al di sopra di esso
Il “Dino-Killer”
Dimensioni
Energia
“x Hiroshima”
100 m
50 MT
3500
1 km
50.000 MT
3,5 milioni
10 km
50 milioni MT
3,5 miliardi
Cratere di Chicxulub
(Yucatan – Messico)
Età ~ 65 milioni di anni
Diametro ~ 180 km
Dimensioni Asteroide ~ 14 km
NEAT
(Near-Earth Asteroid Tracking system)
Collaborazione internazionale per l’identificazione e lo studio dei ‘’Near
Earth Asteroids’’ (NEA) e in particolare dei “Potentially Hazardous
Asteroids” (PHA), corpi più grandi di 150 m che possono avvicinarsi alla
Terra a meno di 7.480.000 km (= 0.05 UA)
Fino ad oggi sono stati scoperti 11136 NEA, di questi 862 hanno un
diametro maggiore di 1 km
I PHA attualmente conosciuti sono 1492 (154 hanno un diametro
maggiore di 1 km), tra questi il più “pericoloso” è Apophis (D ~ 390 m),
che potrebbe colpire la Terra nel 2036 (molto più probabilmente sarà
deviato nel prossimo passaggio in prossimità della Terra, 36350 km,
del 13 Aprile 2029)
http://neo.jpl.nasa.gov/neo/
E’ molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m
Si pensa ne esistano circa 50.000
Il meteorite di Chelyabinsk
Alla categoria degli ‘’imprevedibili’’
apparteneva il corpo esploso in
atmosfera nei pressi della città
russa di Chelyabinsk la mattina del
15 Febbraio 2013
Il più importante evento registrato
dopo quello di Tunguska del 1908
L’asteroide aveva un diametro di 17 m e un peso di 10000 tonnellate; la
sua velocità di ingresso in atmosfera è stata stimata in 25000 km/h ed
è esploso a 25 km di altezza
L’energia rilasciata: 470 kT (~ 30 Hiroshima ~ 1/11 Tunguska)
E’ abbastanza singolare che questo l’evento si sia verificato lo stesso
giorno in cui l’asteroide 2012 DA14, un corpo con diametro di 55 m, è
passato a 28.600 km di altezza dalla superfice terrestre
2012 DA 14
2012 DA14 è stato scoperto il 23 febbraio 2012
Ha un diametro di 55 metri e una massa di circa 1.3 ∙ 108 kg
Il suo periodo orbitale è di 314 g
Il 15 Febbraio 2013 è passato a soli 28.600 km dalla superfice
terrestre (ben al di sotto della fascia dei satelliti geostazionari)
Asteroide
Data
Distanza (LD)
Diametro
2002 JN 97
2 Agosto
61.4
2.0 km
2001 RZ 11
17 Agosto
34.2
2.2 km
2013 WT 67
17 Agosto
16.1
1.1 km
2013 RZ 53
9 Settembre
1.9
3m
2002 CE 26
9 Settembre
47.9
1.8 km
2009 RR
16 Settembre
2
34 m
2006 GQ 2
19 Settembre
65.9
1.1 km
1 LD = 384.400 km
http://spaceweather.com/
Siamo certi che uno ci colpirà, che fare ?
Cattiva notizia: più sono grandi più sono pericolosi
Buona notizia: più sono grandi più sono rari e più tempo avremo
Cattiva notizia: tutto quello che avete visto nei film NON funziona
(non potete piazzarvi sopra un asteroide e fare un buco….)
Buona notizia: non dovete deviarli ‘’molto’’
completamente, l’importante è non ci colpiscano
o
distruggerli
Due idee:
 Aumentare il flusso di radiazione solare riflessa
(dipingerli di bianco)
 ‘’Spingerli’’ fuori traiettoria
Pericoli ‘’astronomici’’ per una civiltà
Impatto di asteroidi
E’ certo che la vita sulla Terra, nel suo
insieme, è stata capace di superare, forse
più volte, gli effetti dovuti a alla caduta di
grandi asteroidi
Terra
NEA
PHA
Per la sopravvivenza di una singola specie (per esempio NOI) è tuttavia
un pericolo da tenere in considerazione
L’umanità sembrerebbe ‘’pronta’’ per poter sopravvivere all’impatto sulla
Terra di un grande (D > 10 km) corpo proveniente dallo spazio
 Conoscenza anticipata dell’evento
 Possibilità di deviare la traiettoria del corpo
Potrebbe però verificarsi un aumento degli oggetti ‘’in ingresso’’ dalla
nube di Oort a causa di una passaggio ravvicinato di una stella
Tra circa 5  109 anni
il Sole si evolverà in
“Gigante Rossa”
La temperatura sulla
Terra diventerà
troppo elevata e la
fascia di abitabilità
si sposterà verso le
regioni più esterne
del Sistema Solare
Nota: l’espansione del
Sole avverrà in due
fasi distinte, alla fine
della seconda il suo
raggio sarà di circa
172·106 km, ma poiché
avrà perso il 30% della
sua massa iniziale
l’orbita della Terra
avrà un raggio di
220·106 km
L’evoluzione del Sole
Venere
Il Sole tra
Sole
5 miliardi
di anni
Mercurio
Terra
Marte
Distacco di un pianeta dalla sua stella
Può essere causato dal passaggio ravvicinato
di due stelle; nella nostra posizione nella
Galassia si stima possa accadere in 1015 anni
Per molti sistemi planetari della
Galassia questo tempo risulterà
decisamente più breve, a causa
della collisione con la galassia di
Andromeda che avrà luogo tra
circa 4.5 · 109 anni
Nota: la collisione tra due galassie non
porta alla distruzione di stelle, al
contrario si osserva un aumento nel
tasso di formazione stellare; sono i
sistemi planetari, non le stelle, che
possono risultare distrutti
La posizione del Sole nella Galassia
Localizzazione degli “elementi pesanti” e rischio Supernova
 Le regioni centrali di una galassia a spirale sono molto ricche di
stelle, quindi di elementi pesanti, ma sono anche “pericolose”
(Supernovae, interazioni tra stelle)
 Le
regioni esterne
sono troppo povere di
elementi pesanti
 Le regioni intermedie
sembrano
offrire
migliori condizioni
le
Il Sole dista circa 30.000
anni luce dal centro della
“Via Lattea”; è la regione
più adatta per l’esistenza
di pianeti abitabili
Pericoli ‘’interni’’ per una civiltà (umana)
Il progresso tecnologico ha favorito un deciso miglioramento (non
uniformemente distribuito) di vari aspetti della vita umana:
 Aumento della durata della vita (triplicata nell’ultimo millennio)
 Miglioramento della qualità complessiva della vita
Ma un progresso illimitato è possibile e/o sostenibile ?
 Aumento della popolazione mondiale
 Eccessivo sfruttamento delle risorse
 Aumento dell’inquinamento / Riscaldamento globale
Diverse sono le ‘’ricette’’ che i vari
governi adottano a fronte delle
evidenze scientifiche sui problemi
legati allo sviluppo
Vanno inoltre considerati gli effetti
dovuti alle instabilità politiche, la cui
causa sta anche distribuzione ancora
troppo disuniforme della ricchezza e
delle risorse
Estinzioni nell’era moderna (Antropocene)
La possibilità che la vita sulla Terra stia sperimentando un’estinzione di
massa è un tema molto dibattuto nel mondo scientifico, le cause di
questa estinzione sarebbero la presenza e l’attività umana
L’influenza dell’uomo sul clima è cominciata 10.000 anni fa, con la
nascita dell’agricoltura nell’attuale Iraq
Da allora le attività umane hanno avuto come risultato l’immissione in
atmosfera di sempre maggiori quantità di gas serra
Nell’ultimo secolo per uccelli e mammiferi si stima un numero di
estinzioni pari a 1/100 delle specie esistenti, contro valori massimi
dell’ordine di 1/10.000 per le epoche lontane dalle estinzioni di massa
La vendetta di Gaia – è stata avanzata l’ipotesi che la Terra è un
sistema (Gaia) che si comporta come un essere cosciente,
autoregolandosi per consentire le condizioni di vita migliori; realizzata
l’impossibilità di riparare i danni provocati dall’uomo Gaia ha la
necessità di eliminarlo
Esistono altri Sistemi Solari
e altri pianeti abitati ?
E’ un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico
Le prime intuizioni sulla “pluralità dei mondi”, e sull’esistenza di vita
intelligente su altre “terre”, risalgono alla civiltà ellenistica
(Aristarco, Democrito, Epicuro: “Esistono infiniti mondi sia uguali che diversi
dal nostro. Dobbiamo credere che in tutti questi mondi esistono creature viventi e
piante e le tante altre cose che vediamo in questo mondo” )
Ma Aristotele disse: “Non può esistere che un solo mondo”
Nel 1584 Giordano Bruno sfida le concezioni filosofiche e religiose
dell’epoca riproponendo l’idea di altri pianeti abitati (“Esistono
innumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli […] Vediamo solo le
stelle perché sono i corpi più grandi e sono luminosi, mentre i loro pianeti rimangono
invisibili perché sono più piccoli e non luminosi. Gli altri mondi nell’Universo non sono né
peggiori né meno abitati della nostra Terra’’)
Oggi sappiamo che la Via Lattea contiene circa 200 miliardi di stelle e che
nell’Universo esistono almeno 100 miliardi di galassie
I pianeti extrasolari
1995 .......... 51 Pegasi b (metodo delle RV)
1999 .......... HD 209458 (metodo dei transiti)
Luglio 2014 .......... 1811 pianeti extrasolari noti (vari metodi)
1126 sistemi planetari (466 sistemi multipli)
aminimo = 0.006 UA
amassimo > 115 UA
Pminimo = 0.24 giorni Pmassimo > 875 anni
Mminima < MTerra
Rminimo < RTerra
Scoperte ‘’inaspettate’’:
1. Hot Jupiters
2. Elevata metallicità delle stelle con pianeti
3. Sistemi multipli con orbite eccentriche
4. Pianeti in orbita intorno a binarie
5. Orbite retrograde
Massa e “stabilità” del Sole
Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg
0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole
Per lo sviluppo della vita su un pianeta è essenziale che il flusso di
radiazione incidente (= temperatura) sia “costante”, ovvero che la
stella attorno a cui orbita il pianeta sia “stabile”
L
Il Sole produce energia nel nucleo con
reazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogeno
si trasforma in Elio
nucleo
Questa “fase evolutiva” del Sole ha una
durata di 10 miliardi di anni
Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvono
troppo rapidamente
Se M = 2.5 · MSole l’idrogeno nel nucleo si
esaurisce dopo 1 miliardo di anni
HR 8799
HR 8799 e
M =  9 ·MGiove
P =  49 anni
a =  14.5 U.A.
HR 8799 d
M =  1 0 ·MGiove
P =  100 anni
a =  24 U.A.
HR 8799 c
M =  1 0 ·MGiove
P =  189 anni
a =  38 U.A.
HR 8799 b
M =  7 ·MGiove
P =  465 anni
a =  68 U.A.
Immagine ottenuta con il telescopio Keck
Primo pianeta di tipo terrestre
in orbita intorno ad una stella
di tipo solare all’interno della
fascia di abitabilità
RKepler 22b = 2.4 RTerra
PKepler 22b = 290 giorni
MKepler 22b = 35 MTerra
Kepler 22 b
Sistema di cinque pianeti, due
dei quali all’interno della fascia
di abitabilità, attorno a una
stella di tipo K2 V
RKepler 62f = 1.4 RTerra
PKepler 62f = 267 giorni
MKepler 62f = 35 MTerra
RKepler 62e = 1.6 RTerra
PKepler 62f = 122 giorni
MKepler 62f = 36 MTerra
Kepler 62
Sistema di cinque pianeti,
attorno a una stella di tipo M1V
PKepler 186a = 4 g
PKepler 186b = 7 g
PKepler 186c = 13 g
PKepler 186d = 22 g
PKepler 186f = 130 g
Kepler 186
Quante civiltà “evolute” in una galassia ?
L’equazione di Drake
N = S  fs  n  fn  fi  fc  L
N = numero di civiltà in grado di comunicare in una galassia; S = numero totale di stelle nella galassia;
fs = frazione di stelle con sistemi planetari; n = numero medio di pianeti adatti per lo sviluppo della
vita; fn = frazione di pianeti abitabili su cui la vita effettivamente si sviluppa; fi = probabilità che
l’evoluzione produca civiltà ‘’evolute’’; fc = frazione delle civiltà evolute che cercano (o sono in grado) di
comunicare; L = intervallo di tempo durante il quale una civiltà è in grado di comunicare
Stime “ottimistiche”: 1000
Dmedia  2.200 a.l.
Stime “pessimistiche”: 1
Problema della “distanza”
Problema della “contemporaneità”
fi
fc
L
Darwin
Sarà costituito da una flotta di
5-8 navette in “constellation
flight”:
- 3-6 telescopi IR da 3-4m
- 1 telescopio collettore (HUB)
- 1 navetta di comunicazione
Come potere risolutivo sarà equivalente a un
telescopio con diametro di alcune centinaia di
metri
Potrà fornire immagini di sistemi planetari ed
analizzare la luce dei pianeti
E’ una missione finanziata (?) dall’ESA
Simulazione di un’immagine Darwin
Venere, la Terra e Marte visti da 30 anni luce
Terra
Venere
Marte
La luce proveniente dal Sole è soppressa
sfruttando l’interferenza distruttiva
Darwin potrà ottenere gli spettri della luce
riflessa dai pianeti
La presenza simultanea di H2O, O3 e
CO2 è ritenuta una chiara evidenza
della presenza di processi biologici
Grazie per la vostra attenzione
G. Cutispoto
[email protected]
INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania