Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Alla ricerca dell’acqua nel Sistema Solare

Fino a una quindicina di anni fa eravamo convinti che gli oceani e i mari della Terra rappresentassero le uniche riserve di acqua presenti nel Sistema Solare. Marte era al più sospettato di contenerne una certa quantità congelata negli strati subsuperficiali e le comete, o una parte di esse, di trattenerne quantità notevoli nel materiale poroso di cui erano costituite. Ma nel 1998 la sonda Galileo giunse nel Sistema Gioviano e questa visione restrittiva cambiò. Dapprima la luna Europa, e poi anche Callisto e Ganimede, incominciarono ad essere sospettate di ospitare al loro interno interi oceani di acqua in quantità molto superiore alle riserve terrestri, e potenzialmente capaci di sostenere intere biosfere. Gli scienziati attribuivano ad effetti mareali, al decadimento nucleare di materiale radioattivo e al vulcanismo del nucleo solido la responsabilità della generazione del calore che manteneva l’acqua allo stato liquido. Inoltre una crosta ghiacciata superficiale di spessore non ancora accertato la difendeva dal gelo dello spazio. Da allora le tre lune, ma sopratutto Europa, sono tenute sotto stretta osservazione, e gli indizi favorevoli all’esistenza dell’oceano sotterraneo non fanno che accumularsi.

europa_vents_2 - NASA ESA University of Cologne (Germany)(L’immagine qui di fianco mostra la posizione  delle nuvole di vapor acqueo sopra Europa. In realtà le nuvole non sono state fotografate, bensì rilevate spettroscopicamente. Credit: NASA, ESA, L. Roth (Southwest Research Institute and University of Cologne – Germany). Le ultimissime osservazioni effettuate con il telescopio spaziale Hubble hanno rilevato sopra il polo sud di Europa grandi nuvole di vapor acqueo, direttamente connesse con ampi bacini subsuperficiali di cui non conosciamo ancora la natura. Potrebbe trattarsi del tanto desiderato oceano sotterraneo, magari brulicante di vita, oppure di un semplice lago creatosi a qualche profondità nel pack. La notizia comunque ha emozionato fortemente gli esperti perché, anche nell’ipotesi più riduttiva, ora abbiamo la possibilità di esaminare acque subsuperficiali di Europa senza dover scendere sulla superficie a trivellare: basterà organizzare un flyby sopra il polo sud in modo che la sonda voli all’interno del vapor acqueo e faccia tutti i rilevamenti del caso. Cosa resa ancor più attraente dal fatto accertato che i supposti “soffioni” entrano in funzione sempre e solamente quando la luna si trova a percorrere il tratto della sua orbita che la porta più lontano da Giove. Sembra ripetersi, con disarmante somiglianza, la vicenda che una decina d’anni fa accentrò su Encelado, una piccola luna di Saturno, l’attenzione della comunità scientifica. Anche in quel caso furono avvistati dei geyser in eruzione nel periodo in cui la luna era lontana da Saturno, e furono effettuati due flyby che portarono la sonda Cassini ben dentro la nuvola di vapor acqueo e ghiaccio creata dalle eruzioni. Sono passati circa otto anni, nuovi dati si aggiungono ai vecchi, il dibattito sulla natura di Encelado è ancora acceso, e riguardo all’esistenza o meno di una vasto oceano sotterraneo non c’è ancora accordo. Può darsi che la tecnica del flyby, in questo caso, abbia dato il suo massimo e per risolvere il mistero non rimanga davvero altro da fare che scendere sulla superficie e trivellare. Ma di Encelado, Dione e sopratutto Tritone, una delle lune di Nettuno, parleremo diffusamente in un prossimo articolo.

Pluto system - credit NASA ESA SETI  Institute(Nell’immagine: il sistema di Plutone – Credit: NASA, ESA, SETI Institute). Forti delle precedenti scoperte, molti ricercatori si stanno chiedendo se non sia il caso di mettersi alla ricerca dell’acqua anche più lontano dal Sole, cioè nella Fascia di Kuiper. Due ricercatori dell’Università della California, Guillaume Robuchon e Francis Nimmo, basandosi sui loro modelli di evoluzione termica, hanno descritto Plutone come dotato di due strati, di cui il più esterno costituito da ghiaccio secco, l’altro da ghiaccio d’acqua. Sotto questa rigida crosta, spessa nei modelli circa 165 km, si agita un oceano sotterraneo della stessa dimensione, e infine un nocciolo roccioso. In un articolo pubblicato su Astrobiology Magazine hanno avanzato un’ipotesi suggestiva: se sull’equatore di Plutone si trovasse un qualche tipo di rilievo di altezza superiore ai 10.000 metri, ciò sarebbe un chiaro indizio dell’assenza di un oceano sotto la superficie, perché grandi quantità d’acqua, anche sotterranee, muovendosi per effetto della rotazione del pianeta-nano, sarebbero capaci di livellare simili picchi in superficie. I due scienziati hanno inoltre individuato nei processi di decadimento radioattivo, in assenza degli effetti delle forze gravitazionali che agiscono sulle lune dei pianeti gassosi, l’unica fonte disponibile di calore per mantenere l’acqua in forma liquida. La presenza di potassio sembra essere la migliore spia che tali processi siano tutt’ora in corso, e fortunatamente gli strumenti in dotazione a New Horizons, la sonda che l’anno prossimo eseguirà un veloce flyby di Plutone, saranno in grado di rilevare tanto un’abnorme quantità di potassio in superficie, quanto l’esistenza di alti picchi, vallate e perfino grossi geyser in fase eruttiva.

Secondo Steve Desch non solo Plutone, ma anche Caronte, il compagno con cui forma un vero e proprio sistema planetario binario, potrebbe contenere un oceano sotterraneo composto da acqua e ammoniaca, dove quest’ultima darebbe un contributo essenziale ad abbassare il punto di congelamento dell’acqua, contribuendo a mantenerla liquida. La conclusione di Desch è che tutti i corpi celesti della fascia di Kuiper con densità dell’ordine dei 2 gr/cm3 (quella di Plutone) e un raggio di almeno 500 km, sarebbero in grado di ospitare un oceano sotterraneo, mantenendo l’acqua liquida grazie al calore generato dal decadimento di materiali radioattivi. Analogamente Hanke Hussmann ritiene che tali oceani potrebbero essere ospitati nelle lune Tritone (Nettuno), Rhea e Dione (Saturno), Titania e Oberon (Urano) e perfino nel lontanissimo Sedna, il pianeta-nano che viene oggi considerato il primo oggetto appartenente alla Nube di Oort ad essere stato scoperto.

ROBERTO FLAIBANI

Fonti:

  • Slow boat to Centauri: a millennium journey – exploiting resources along the way
    by Paul A. Gilster – Tau Zero Foundation
    JBIS vol.66 – pp 302-311 – 2013
  • Roth et al., “Transient Water Vapor at Europa’s South Pole,”
    published online in Science 12 December 2013
  • G. Robuchon and F. Nimmo, “Thermal Evolution of Pluto and
    Implications for Surface Tectonics and a Subsurface Ocean”, Icarus, 216,
    pp.426-439, 2011.
  • Desch et al., “Cryovolcanism on Charon and Other Kuiper Belt Objects”,
    38th Lunar and Planetary Science Conference, Texas, USA, 12-16 March
    2007.
  • Hussmann et al., “Subsurface Oceans and Deep interiors of Medium-
    Sized Outer Planet Satellites and Large Trans-Neptunian Objects”,
    Icarus, 185, pp.258-273, 2006

15 gennaio 2014 Posted by | Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , , , | 2 commenti

Acqua, acqua, ovunque

La nostra visione del Sistema Solare è completamente cambiata negli ultimi cinquant’anni. Ditelo a una festa, e chi vi ascolta darà per scontato che vi stiate riferendo a Plutone, il cui declassamento ha provocato più reazioni di qualsiasi altra recente notizia sui pianeti.Ma in aggiunta a tutto quello che abbiamo appreso dalle sonde, la nostra visione del Sistema Solare composto da un piccolo numero di pianeti, ora comprende un enorme numero di oggetti a immense distanze. Cinquant’anni fa , una Cintura di Kuiper di gran lunga più popolata della fascia principale degli asteroidi era solo teoria. E i primi modelli dl Sistema Solare con i quali sono cresciuto non includevano mai nessuna rappresentazione di una immensa nuvola di comete (ndt: la Nube di Oort), che si estendeva fino a cinquantamila Unità Astronomiche di distanza.

Abbiamo anche cominciato a capire che l’acqua allo stato liquido, una volta considerata esclusiva della Terra, potrebbe abbondare in tutto il Sistema. Caleb Scharf si occupa dell’argomento in un recente articolo apparso su Life Unbounded, prendendo nota di cosa i nostri modelli teorici ci dicono sulla presenza di oceani interni in svariati oggetti celesti.

Si può fare molto con modelli puramente teorici che cercano di determinare il giusto equilibrio idrostatico tra il peso di un corpo celeste e le sue forze di pressione interne, sia che siano esercitate in stato gassoso, solido o liquido: energia termica proveniente dalla formazione dei corpi stessi, calore generato dal decadimento radoattivo di isotopi d’origine naturale, tutto gioca un ruolo. Basta inserire qualche dato reale, per esempio misurazioni inerenti a luoghi come Europa o Titano, perché i nostri modelli diventino molto meglio calibrati. L’aspetto intrigante è che si può giocare variando la composizione e la stratificazione interna del materiale di un corpo planetario per trovare la combinazione che funziona meglio. Di conseguenza si può fare una stima della natura e dell’estensione di qualsiasi zona di acqua allo stato liquido situata sotto la superfice.

Scoprire oceani interni

I dati diventano impressionanti, come dimostrano Hauke Hussmann e colleghi in un testo del 2006 apparso sulla rivista Icarus. Si inizia con Galileo, la missione verso Giove che ha riportato dati sufficienti per cambiare la nostra visione delle lune del pianeta gigante. Galileo ha scoperto campi magnetici secondari indotti nelle vicinanze di Europa, Callisto e Ganimede, fornendo consistenti prove sperimentali a sostegno dell’ipotesi che esistano oceani sotto le loro superfici. Si pensa che tali campi siano generati da ioni contenuti in uno strato d’acqua allo stato liquido presente sotto la crosta ghiacciata esterna. Indubbiamente Europa è diventata un obiettivo primario per una futura ricerca di astrobiologia, grazie alla prospettiva di trovare, oltre all’acqua, anche una crosta di ghiaccio sottile.

L’articolo di Hussmann prosegue calcolando i modelli di strutture interne per corpi celesti ghiacciati di medie dimensioni nel Sistema Solare esterno, supponendo come acquisito l’equilibrio termico tra calore di origine radioattiva prodotto dal nucleo e la perdita di calore attraverso la crosta di ghiaccio. Ora possiamo davvero cominciare a espandere il quadro. Il testo dimostra che l’esistenza di oceani sotto la superficie è plausibile non solo nel caso, ora ovvio, di Europa, ma anche di Rhea, Titania, Oberon, Tritone e Plutone. Un esempio può essere costituito anche dagli oggetti trans-nettuniani (TNO) 2003-UB313, Sedna e 2004-DW. Hussmann dice:

Nei corpi celesti qui in discussione, gli strati liquidi sono in diretto contatto con i nuclei rocciosi. Ciò contrasta con gli oceani interni nei grandi satelliti ghiacciati come Ganimede, Callisto o Titano, dove essi sono racchiusi tra una crosta di ghiaccio comune sopra e da strati di ghiaccio supercompressi sotto. Il contatto tra l’acqua e i silicati permetterebbe uno scambio molto efficace di minerali e sali tra le rocce e l’oceano nelle zone interne di questi satellti di medie dimensioni.

E’ interessante notare che Encelado, come risulta dai continui esami a cui è sottoposto dalla sonda Cassini, non si accorda col modello Hussmann. Nel documento si segnala infatti che sorgenti di calore diverse da quella originata dal decadimento radioattivo servirebbero per sostenere un tale oceano, con l’ovvia opzione rappresentata dal calore sviluppato dalle maree. Abbiamo molto da imparare su Encelado: il testo affronta argomenti come la storia della sua orbita, e fa paragoni con Mimas, dove la forza della marea è molto più intensa. Ma le conclusioni sono chiare: abbiamo necessità di una maggior mole di osservazioni per chiarire se gli oceani interni sono o meno un fenomeno comune nel Sistema, tra le lune e i corpi celesti ghiacciati come gli oggetti trans-nettuniani.

Oceani oscuri e lontani

Hussmann e colleghi partono dall’assunto che i bacini sotterranei in questi mondi esterni si trovino sotto una crosta di ghiaccio spessa oltre 100 chilometri, abbastanza perchè ci sia poco collegamento tra tali bacini e le caratteristiche di superficie. Ma lo studio dell’interazione tra questi oceani e i campi magnetici e le particelle cariche che li circondano, e le reazioni dei corpi celesti alle maree esercitate dal corpo primario (ndt: uno dei pianeti esterni, nel nostro caso), possono aiutarci a confermare o smentire l’esistenza degli oceani stessi. Qui c’è lavoro per generazioni di sonde spaziali, ma se azzecchiamo il modello giusto fin dall’inizio, allora potremo fare ragionevoli estrapolazioni a proposito dell’onnipresenza dell’acqua.

Il modello proposto nel documento, dicono gli autori, non è applicabile a Ganimede, Callisto e Titano, ma vedo che nel suo articolo Scharf afferma che Titano potrebbe avere un volume di acque dieci volte superiore a quello degli oceani terrestri. Questi sono i dati che contano. Come dice Scharf:…”questi corpi celesti da soli potrebbero fornire una quantità d’acqua allo stato liquido da dieci a sedici volte maggiore di quella presente sulla Terra.” Mettiamo nel conto anche gli oggetti trans – nettuniani, aggiungiamo la possibilità di un eventuale riscaldamento d’origine radioattiva, e otterremo quanto meno l’eventualità che i TNO siano la più estesa sorgente di acqua allo stato liquido dell’intero Sistema Solare.

Non avevamo forse detto che la nostra visione del Sistema era cambiata? Questa rivoluzione continua non appena ci addentriamo nella Cintura di Kuiper. Speriamo che la sonda New Horizons scopra un piccolo TNO da studiare, nel corso del suo viaggio oltre Plutone e Caronte, ma forse potremmo sperare nel lancio di sonde destinate a orbitare intorno ai satelliti dei pianeti esterni o ad altri oggetti, aiutandoci a comprenderne la composizione interna. Se si avvalora la prospettiva che esistano bacini d’acqua interni nelle proporzioni indicate precedentemente, allora tutta la Cintura di Kuiper avrebbe un seppur minimo potenziale astrobiologico.

Titolo originale:“Water, Water, Everywhere” scritto da Paul Gilster e pubblicato in Centauri Dreams il 18 febbraio 2011. Traduzione italiana di Roberto Flaibani, editing di Beatrice Parisi. Le illustrazioni riproducono alcune opere del pittore Giulio Corcos, che ringraziamo con simpatia. Questo articolo segna la nostra partecipazione al Carnevale della Chimica, terza edizione, e inaugura una fase di collaborazione con Centauri Dreams, che ci auguriamo lunga e fruttuosa.

Fonte: Hussmann et al., “Subsurface oceans and deep interiors of medium-sized outer planet satellites and large trans-neptunian objects,” Icarus Vol. 185, Issue 1 (2006), p. 258-273.

21 marzo 2011 Posted by | Carnevale della Chimica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , , , , | 2 commenti

   

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