Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

eso13 – Arrivano i giganti…

 La ricerca di una traccia biologica nell’atmosfera di un esopianeta è un obiettivo importante e, come spiega Ignas Snellen, le missioni spaziali non sono l’unico modo di procedere. Professore di astronomia all’Università di Leiden nei Paesi Bassi, il Dott.  Ignas  Snellen è convinto che le tecnologie come la spettroscopia ad alta dispersione e l’imaging a contrasto elevato siano più efficaci quando utilizzate in grandi osservatorii a terra. Un gruppo di astronomi da lui guidati ha già usato queste tecniche per determinare la velocità di rotazione di Beta Pictoris b, pari a otto ore. Per studiare quelle regioni dello spettro che sono inaccessibili da terra, avremo bisogno di telescopi spaziali attentamente studiati e in sinergia con la nuova generazione di telescopi terrestri giganti, che si prevede entreranno in funzione negli anni ‘20 del 2000. (Paul Gilster) A seguire l’articolo del dott. Snellen.

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E-ELT – Telescopio Europeo Estremamente Grande

Mentre ero profondamente impegnato nel progetto del mio dottorato di ricerca, studiando i centri attivi di galassie lontane, in un campo molto diverso dell’astronomia si stava compiendo una vera rivoluzione scientifica. A metà degli anni ‘90 si stavano infatti scoprendo i primi pianeti orbitanti intorno a stelle diverse dal nostro Sole. Per alcuni anni riuscii a ignorare queste scoperte. Favorito dalla mia ignoranza in materia, mi univo ai molti scettici che criticavano questi primi risultati. Risultati con i quali invece si dovette presto fare i conti. Quando venne trovato il primo pianeta in transito, seguito poco dopo dal rilevamento della sua atmosfera, cambiai radicalmente campo di ricerca e mi gettai, come molti altri, sugli esopianeti. Dopo oltre un decennio quella rivoluzione è ancora in corso.

DARWIN, TPF e SIM

Negli ultimi venticinque anni non tutte le imprese scientifiche hanno avuto successo. Subito dopo le prime scoperte degli esopianeti sono stati profusi enormi sforzi nella progettazione (e nella ricerca dell’appoggio politico) di una sonda che possa rilevare i potenziali gas marcatori biologici nelle atmosfere dei sistemi planetari vicini. Gli astronomi europei si stavano concentrando su DARWIN. L’idea base della missione prevedeva 4 o 5 sonde spaziali dotate di telescopi con tecnologia di imaging ad alta risoluzione utilizzante l’interferometria ad annullamento. La luce stellare raccolta sarebbe stata combinata in modo tale da annullare la luce in asse, ma lasciando intatta la potenziale luce del pianeta fuori asse. Dopo una serie di studi lunghi oltre un decennio, nel 2007 l’ESA interruppe lo sviluppo di DARWIN, per l’eccessiva difficoltà. Nello stesso periodo furono proposte alla NASA varie versioni del Terrestrial Planet Finder (TPF), compreso un interferometro ad annullamento e un coronografo. Quest’ultimo usa delle ottiche appositamente studiate per ridurre la luce stellare, lasciando passare quella eventuale dei pianeti. Anche questi progetti furono in seguito annullati. Indubbiamente una battuta d’arresto anche peggiore ha interessato la Space Interferometry Mission (SIM), che doveva cercare i pianeti di massa simile alla Terra nelle zone abitabili delle stelle vicine usando l’astrometria. Dopo essere stata rimandata più volte, la missione fu infine annullata nel 2010.

 

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E-ELT

Quanto dovremmo essere pessimisti?

Per questi progetti  sono state spese enormi quantità di tempo ed energia dei ricercatori, oltre a milioni di dollari e di euro. È un vero peccato, considerando tutti gli altri interessanti progetti alternativi che avrebbero potuto essere finanziati. Dovremmo porci degli obiettivi più realistici e imparare dalle missioni di successo, come Kepler della NASA, che fu concepita e sviluppata nello stesso periodo. Un aspetto fondamentale dell’adozione di Kepler da parte della NASA fu la dimostrazione, tramite gli esperimenti a terra (di Bill Borucki e colleghi), del fatto che la tecnologia era pronta. Una missione viene infatti approvata solo se si ritiene che ne sia garantito il successo. È questo aspetto che ha affossato DARWIN e il TPF ed è lo stesso che mi preoccupa quando penso ai nuovi concetti base di sonde molto intelligenti, come il grande occultatore esterno per la missione New Worlds. Forse non sono abbastanza sognatore. In ogni caso, come insegna Kepler, i tempi d’attesa  delle grandi missioni spaziali sono molto lunghi. Ne consegue che per i prossimi 25 anni sarà molto improbabile che venga lanciata una missione spaziale per cercare i gas marcatori biologici nelle atmosfere dei pianeti simili alla Terra. Se sono fortunato riuscirò a vederla prima di morire. Detto questo, la mia idea è: partiamo da terra!

 

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Thirty Meter Telescope

La sfida a terra

La prima prova di vita extraterrestre verrà dal rilevamento dei marcatori biologici: l’assorbimento derivante da quei gas che ci si aspetta di trovare nell’atmosfera di un esopianeta quando sono prodotti da processi biologici. Gli esempi migliori sono costituiti da ossigeno e ozono, come si vede nell’atmosfera terrestre. L’osservazione di questi gas nelle atmosfere degli esopianeti non sarà la prova definitiva della vita extraterrestre, ma di certo un primo passo. Tali osservazioni richiedono una spettrofotometria di alta precisione, molto difficile da eseguire da terra. Innanzitutto, la nostra atmosfera assorbe e disperde la luce. Si tratta di un problema soprattutto per le osservazioni dei pianeti simili alla Terra, perché i loro spettri mostreranno delle bande di assorbimento nelle stesse lunghezze d’onda dell’atmosfera terrestre. Da parte loro, le turbolenze atmosferiche distorcono la luce che raggiunge i telescopi a terra. La luce quindi non forma dei fronti d’onda perfetti, compromettendo le misurazioni di alta precisione. Inoltre, quando gli oggetti vengono osservati a lungo nel corso di una notte, il percorso della loro luce attraverso l’atmosfera cambia, come cambia la luce stellare che entra nello strumento, rendendo la stabilità un grosso problema. Queste sono le ragioni principali per cui molti appassionati degli esopianeti pensavano fosse impossibile sondarne le atmosfere da terra.

(AVVISO: per chi è interessato a un discorso approfondito sulla spettroscopia ad alta dispersione (HDS) e sulla imaging a contrasto elevato (HCI) abbiamo previsto un  percorso separato. Chi preferisce una lettura facilitata, può continuare senza tener conto di questo avviso).

 

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Giant Magellan Telescope

Per rilevare le caratteristiche di assorbimento delle atmosfere degli esopianeti è ideale la spettroscopia ad alta dispersione (high dispersion spectroscopy, HDS), vale a dire la separazione di un’onda in componenti dello spettro con diverse lunghezze d’onda. L’HDS raggiunge una precisione di un milionesimo della lunghezza d’onda però richiede telescopi di enormi dimensioni, non trasferibili nello spazio. I telescopi spaziali possono raggiungere solo la media dispersione, al massimo di un millesimo della lunghezza d’onda, comportando quindi tempi di osservazione di gran lunga maggiori. Un altro vantaggio dell’alta dispersione è che è sensibile all’effetto doppler dovuto al moto orbitale di un pianeta, il cui segnale può essere così distinto sia da quello della sua stella sia da quello dell’atmosfera terrestre. Due nuovi strumenti nel telescopio VLT permetteranno di estendere la ricerca anche ai pianeti più freddi e più piccoli.
Mentre con l’HDS si analizza la luce della stella filtrata dall’atmosfera dei pianeti più vicini, quelli più distanti possono essere osservati con l’imaging a contrasto elevato (HCI) (anche in combinazione con la coronografia), che riduce la luce della stella. I migliori risultati si ottengono con la combinazione delle due tecniche.

 

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James Webb Space Telescope

Arrivano i giganti

Sia gli Stati Uniti sia l’Europa stanno costruendo una nuova generazione di telescopi che possono essere a ragione chiamati giganti. Il Telescopio Gigante Magellano (Giant Magellan Telescope, GMT) consisterà di sei specchi da 8,4 m, equivalenti a un telescopio del diametro di 24,5 m. Il Telescopio da Trenta Metri (Thirty Meter Telescope, TMT) avrà proprio questa dimensione, mentre il Telescopio Europeo Estremamente Grande (European Extremely Large Telescope, E-ELT) sarà quello più ampio con un diametro effettivo di 39 m. Tutti e tre i progetti sono in competizione per essere pienamente operativi intorno al 2025.
In questa partita le dimensioni sono tutto, in particolare per le osservazioni HDS e HDS+HCI. L’HDS trae beneficio dal numero di protoni che si possono raccogliere, proporzionale al quadrato del diametro. Prendendo in considerazione anche altri effetti, l’E-ELT sarà cento volte più sensibile del VLT (in particolare grazie allo strumento della prima luce METIS e a HIRES). Il telescopio ci porterà vicino all’intervallo necessario per cercare l’ossigeno molecolare nelle atmosfere dei pianeti terrestri che transitano vicino alle nane rosse. Se questi sistemi vicini in transito esistono potremo dirci fortunati. Secondo le simulazioni, le stelle più piccole rendono il segnale trasmesso dall’ossigeno molecolare di un pianeta delle dimensioni della Terra simile a quelli del monossido di carbonio, già rilevati nelle atmosfere dei gioviani caldi. È solo che i sistemi saranno molto più tenui di Tau Bootis e pertanto richiederanno dei telescopi molto più grandi. La tecnologia esiste già, ma si tratta di raccogliere fotoni a sufficienza. Se persino i telescopi estremamente grandi dovessero rilevarsi insufficienti, il problema dovrà essere risolto in modo diverso. Le osservazioni HDS delle stelle luminose non richiedono degli specchi di forma precisa, pertanto potrebbero essere possibili disponendo delle serie di raccoglitori di luce a bassa precisione, ma si tratta di un’ipotesi lontana nel futuro.

Ancora più promettenti sono le capacità di imaging a elevato contrasto dei futuri ELT. I telescopi non solo raccolgono più fotoni, ma vedono anche in maniera più nitida. La loro capacità di vedere i pianeti più tenui nel bagliore delle stelle luminose aumenta fino alla quinta potenza all’aumentare delle dimensioni. Ciò rende l’E-ELT 1000 volte più sensibile del VLT. I pianeti rocciosi nelle zone abitabili delle stelle vicine saranno quindi a portata di mano. Anche in questo caso le simulazioni indicano la possibilità di rilevare emissioni termiche intorno alle stelle più vicine, mentre HDS+HCI nelle lunghezze d’onda ottiche può cercarne lo spettro di riflettanza, magari includendo le firme dell’ossigeno molecolare.

 

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JWST

Missioni spaziali realistiche

Qualsiasi cosa accada con la ricerca degli esopianeti dallo spazio, i telescopi a terra si faranno strada nella caratterizzazione dei pianeti simili al nostro. Ciò non toglie la necessità delle missioni spaziali. Innanzitutto non ho reso giustizia ai dati fantastici e rivoluzionari che ci fornirà il JWST. Poi, una serie di missioni dedicate ai transiti, la TESS della NASA (che verrà lanciata nel 2017) e le CHEOPS e PLATO dell’ESA (2018 e 2024), scopriranno tutti i sistemi planetari vicini in transito, un prerequisito fondamentale per gran parte di quanto fin qui abbiamo discusso.
Soprattutto, le misurazioni da terra non potranno darci un quadro completo delle atmosfere dei pianeti, semplicemente perché gran parte degli spettri non sono da qui accessibili. Pertanto la prova definitiva della vita extraterrestre verrà probabilmente da una missione spaziale del genere di DARWIN o TPF. Il rilevamento da terra dell’acqua nell’atmosfera di un pianeta terrestre aprirebbe delle porte presso i politici, ma della massima importanza sarà il giusto tempismo di tali missioni. Puntando troppo in alto e troppo presto si perderebbe molto tempo e denaro, a spese del progresso nella ricerca degli esopianeti. Sognare è bello, ma senza dimenticare di restare realistici.

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Dott. Ignas Snellen

Ulteriori letture

Snellen et al. (2013) Astrophysical Journal 764, 182: Finding Extraterrestrial Life Using Ground-based High-dispersion Spectroscopy

Snellen et al. (2014), Nature 509, 63: Fast spin of the young extrasolar planet beta Pictoris b 

Snellen et al. (2015), Astronomy & Astrophysics 576, 59: Combining high-dispersion spectroscopy with high contrast imaging: Probing rocky planets around our nearest neighbors .

Titolo originale:”Extraterrestrial Life, The Giants are coming” di Ignas Snellen, pubblicato su Centauri Dreams il 11 settembre 2015

 

Traduzione e adattamento di FAUSTO MESCOLINI

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4 maggio 2016 Posted by | Astrofisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , | Lascia un commento

eso 11 – I colori della vita extraterrestre

Un giorno non lontano avremo gli strumenti in grado di esaminare in profondità la luce proveniente da un mondo di tipo terrestre orbitante intorno ad un’altra stella. Questo apre alla possibilità di identificare gas atmosferici come ossigeno, ozono, anidride carbonica e metano. Tutti questi gas possono trovarsi in un ambiente privo di vita, ma se li troviamo presenti contemporaneamente in quantità abbastanza rilevanti, avremo individuato una possibile firma biologica, perché se non c’è un’attività vitale che li ricostituisce, questi gas si ricombinerebbero e ci lascerebbero con un miscuglio atmosferico molto meno interessante.

Ma studiare le atmosfere dei pianeti per trovare le tracce di vita è solo uno dei modi di procedere. Un team interdisciplinare, guidato da Lisa Kaltenegger della Cornell University e Siddharth Hegde (Istituto Max Planck per l’Astronomia), cioè gli stessi protagonisti dell’articolo pubblicato pochi giorni fa, eso10 – I colori di un mondo che vivesta esaminando la presenza della vita con una rilevazione basata sul colore caratteristico delle forme di vita. Un organismo estraneo che copra gran parte del pianeta, per esempio pensiamo alle foreste sulla Terra, rifletterebbe la luce a particolari lunghezze d’onda, luce che potrebbe essere misurata con la spearth_reflectanceettrometria.

Immagine: In questa immagine satellitare composita della NASA, è possibile vedere una componente dominante verde nella luce riflessa del sole, un segno diretto della vita vegetale presente sulla superficie terrestre. Allo stesso modo, se la vita microbica con una particolare pigmentazione coprisse vaste zone di superficie di un pianeta extrasolare, la sua presenza potrebbe in linea di principio essere misurata direttamente grazie alla sua tinta nella luce stellare riflessa osservata attraverso i nostri telescopi. Credit: NASA Earth Observatory.

 La sfida, e quindi l’impegno del lavoro preliminare basato su questi presupposti, è quello di capire quali tracce spettrali i diversi tipi di organismo potrebbero emettere. Lavorando con i colleghi al centro di ricerca Ames della NASA , i ricercatori hanno messo insieme un catalogo tratto da colture di 137 diverse specie di microrganismi, alla ricerca di una vasta gamma di pigmentazioni delle specie presenti in ambienti diversi, come il deserto di Atacama in Cile, l’acqua marina delle Hawaii, un vecchio pezzo di legno trovato in un parco dello Stato del Missouri e le sorgenti di acqua calda del Parco Nazionale di Yellowstone. Concentrandosi sulle specie estremofile (in cui la vita è spinta al suo limite), il team ha potuto fare indagini sulla più ampia gamma possibile di condizioni fisiche e geo-chimiche sulla superficie dei pianeti extrasolari. 

Il metodo, preso in esame in un nuovo saggio su Proceedings of the National Academy of Sciences, consiste nel misurare l’impronta digitale chimica di ogni coltura di microorganismi e pubblicare i risultati in un catalogo on line. Gli spettri di riflessione sono prodotti nella lunghezza d’onda del visibile e nel vicino infrarosso e sono organizzati nella prima banca dati di questo tipo dedicata alle tracce di vita superficiale. Il catalogo era progettato per rispecchiare la più ampia gamma di vita possibile, sapendo che sul nostro pianeta le specie dominanti hanno subito profondi cambiamenti.

Dal documento:

Sebbene ci sia una considerevole conoscenza di base delle proprietà spettrali delle piante terrestri, sono pochissime le informazioni presenti in letteratura riguardo a quelle dei microorganismi. Le piante terrestri sono attualmente molto diffuse sul pianeta e sono facilmente rilevate dalle osservazioni ad alta risoluzione delle sonde spaziali. Comunque, esse occupano solo una piccola nicchia nel parametro ambientale che raggruppa la vita terrestre conosciuta. Inoltre, le piante terrestri si sono diffuse sulla Terra solo circa 460 milioni di anni fa, mentre gran parte della storia della vita è stata dominata dalla vita microbica unicellulare. All’interno degli organismi procarioti ed eucarioti c’è una diversità di pigmentazione di gran lunga maggiore che nelle piante terrestri. Per questa ragione tutte le ipotesi riguardo a una vita extraterrestre basate soltanto sulle piante terrestri finiscono per tralasciare una gran parte della vita conosciuta.”


standard_sans_rightImmagine: Otto dei 137 campioni di microrganismi utilizzati per misurare le firme biologiche per il catalogo. In ogni pannello, la parte superiore è una fotografia standard del campione e la parte inferiore è una microfotografia, una versione ingrandita a 400x dell’immagine superiore. Gli scienziati miravano a raggiungere una diversità di colori e pigmentazione. Da in alto a sinistra a in basso a destra: specie sconosciute del genere Bacillus (deserto di Sonora, AZ, USA); specie sconosciuta di genere Arthrobacter (Deserto di Atacama, Cile); Protothecoides Chlorella (linfa di un pioppo bianco danneggiato); specie sconosciuta di genere Ectothiorhodospira (Big Soda Lake, NV, USA); specie sconosciuta di genere Anabaena (con proteina fluorescente verde, d’acqua dolce stagnante); specie sconosciuta di genere Phormidium (Kamori Canale, Palau); Porphyridium purpureum (legno vecchio presso una sorgente salata, Boone’s Lick State Park, MO, USA); Dermocarpa violacea (deflusso di acquario, La Jolla, CA, USA). Credit: Hegde et al. / MPIA.

Gli organismi unicellulari che hanno dominato la storia della Terra hanno prosperato per 3.5 miliardi di anni e forse più, dimostrando ripetutamente di poter essere trovati nelle condizioni più estreme , dall’interno dei reattori nucleari (Chernobyl) ai deserti e alle regioni polari. La loro particolare pigmentazione dipenderà dalle condizioni ambientali locali e così la loro futura scoperta grazie ai telescopi spaziali ci dirà qualcosa riguardo al pianeta che essi abitano. L’indice di riflessione da parte delle forme di vita superficiali gioca anche un ruolo importante nei modelli per gli esopianeti che possono essere usati per studiare i processi chimici delle loro atmosfere.

Il presente comunicato stampa dell’MPIA riassume i metodi del team per la misura delle biotracciature, compito svolto da Hegde lavorando con Lynn Rothschild e altri ricercatori dell’Ames della NASA :

Hegde, [Ivan] Paulino-Lima e [Ryan] Kent hanno misurato le firme biologiche dei campioni presso il Centro di Tecnologie Spaziali e Telerilevamento (CSTARS) presso l’Università della California, Davis. Hanno adoperato una struttura chiamata sfera di integrazione, cava e rivestita internamente di un materiale riflettente. Questa conteneva un foro per la sorgente luminosa, il campione del microorganismo, e un rilevatore per misurare l’impronta digitale della luce riflessa dal campione. L’effetto della forma sferica è il seguente: quando la luce attraversa il foro e si riflette sul campione, si distribuisce in modo uniforme in tutte le direzioni. Pertanto il rilevatore può essere posizionato in qualsiasi punto della sfera, contro qualsiasi parte della parete, e ancora misura la stessa media (“integrata”) di impronta. Questo è importante perché in un futuro prevedibile i telescopi saranno solo in grado di misurare la luce riflessa da un esopianeta che è stato valutata in media (“integrata”) su tutta la parte visibile della superficie del pianeta.” Lisa Kaltenegger, che dirige l’Institute for Pale Blue Dot della Cornell University, all’ampia gamma di possibilità di vita, inclusi gli organismi estremofili, che si trova nel database, dicendo che “… ci dà il primo assaggio di ciò che i diversi mondi là fuori potrebbero sembrare … Sulla Terra questi sono solo ambienti di nicchia, ma in altri mondi queste forme di vita potrebbero anche avere un ruolo dominante, e ora abbiamo un database per sapere come possiamo individuarlo”. La banca dati, che è aperta per il libero uso dei ricercatori di tutto il mondo, si trova presso l’Istituto. Ulteriori aggiunte al database sono attese in futuro, man mano che nuovi campioni saranno disponibili per catalogare spettri di indice di riflessione microbica.

traduzione di SIMONETTA ERCOLI

editing di DONATELLA LEVI

Further additions to the database are expected in the future as more samples become available to catalog microbial reflectance spectra. The paper is Hegde et al., Surface biosignatures of exo-Earths: Remote detection of extraterrestrial life,” in Proceedings of the National Academy of Sciences, published online before print March 16, 2015 (abstract available). The catalog is Surface biosignatures of exo-Earths, now available online.Original title of this postThe Colors of Extraterrestrial Life by Paul Gilster, published on March 17, 2015 on “Centauri Dreams”.

9 dicembre 2015 Posted by | Astrofisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , , | 4 commenti

   

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