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Emmeciquadro n° 66

SCIENZAinATTO/ Abitabilità su scala locale, galattica e cosmologica (Parte I)

Analisi delle condizioni di abitabilità, individuando una zona abitabile circumstellare (parte I). Si introducono una zona abitabile galattica, e i vincoli a scala cosmologica (parte II).

Condizioni di abitabilità: nel sistema solare o extra-solare (a destra), nella Galassia (a sinistra), considerando anche gli effetti mareali sulle comete (al centro). Sullo sfondo, l’orizzonte cosmologico (Fecchio M., 2016)Condizioni di abitabilità: nel sistema solare o extra-solare (a destra), nella Galassia (a sinistra), considerando anche gli effetti mareali sulle comete (al centro). Sullo sfondo, l’orizzonte cosmologico (Fecchio M., 2016)

Obiettivo dell’articolo è quello di sottolineare alcune condizioni necessarie richieste dalla vita per poter sorgere e svilupparsi. Esse sono localizzate: su scala locale planetaria, su scala galattica e all’interno dell’evoluzione cosmologica.
Una zona abitabile circumstellare (CHZ) viene considerata per sistemi solari ed extra-solari (
Parte I); viene poi introdotta la zona galattica abitabile (GHZ) e viene evidenziato un set di forti vincoli cosmologici (abitabilità cosmologica, COSH) per avere la vita (Parte II).
Spesso la possibilità che i vincoli si realizzino è legata a un concorso di condizioni speciali che coinvolgono l’evoluzione di strutture inerenti a tutte e tre le scale. La vita appare quindi connessa con tutto il cosmo dentro il quale noi siamo immersi.

 

 

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Il concetto di «eso-pianeta» o pianeta «extra-solare» è divenuto, ormai, di uso comune. La ricerca di nuovi mondi ha affascinato da sempre il genere umano e grazie alle moderne tecnologie, oggi, è possibile scrutare l’Universo in cerca di pianeti anche simili alla Terra.
Grande risalto ha avuto, per esempio, la recente scoperta di sette pianeti orbitanti attorno a una stella nana rossa, Trappist-1 [1]. La scoperta di questo ulteriore sistema planetario, con alcuni dei suoi pianeti in grado di avere acqua allo stato liquido ha generato il consueto scalpore mediatico, trascurando vistosamente il fatto che le condizioni di abitabilità per la Terra contemplano la presenza dell’acqua liquida solo come «una» delle condizioni necessarie e che esse in realtà sono estremamente più articolate di quanto una divulgazione approssimativa faccia credere.
Dall’attenta analisi, anche solo su scala planetaria, emerge infatti quale «ricamo» sia necessario attorno a un sito in grado di alloggiare la Vita.
Se poi la ricerca si estende alle locazioni possibili all’interno della Galassia e ai fine tuning (accordature fini) a livello cosmologico, il quadro complessivo ci racconta la «cura» che il Creatore ha posto per noi e per tutti gli eventuali altri, alloggiati in probabili altri mondi.

 

Quale tipo di vita?

Innanzi tutto bisogna specificare a quale vita ci stiamo riferendo e non può che trattarsi di quella che conosciamo. Seguono quindi le richieste essenziali perché questa si possa realizzare e le scale astrofisiche principalmente coinvolte.
Possiamo apprendere i vincoli che ci sono per il sorgere e svilupparsi della vita studiando il nostro sistema solare (Ss) in cui appare quanto essa sia da considerarsi come un avvenimento speciale dato che, come vita complessa, si trova in uno solo fra la decina dei pianeti contornati da circa un centinaio di satelliti.
L’introduzione della Teoria Climatica Astronomica diviene indispensabile per poter definire la zona abitabile circumsolare (Habitable Zone, HZ). Il passo successivo sarà quello di tradurre le condizioni necessarie per il sistema solare ai sistemi extra-solari, definendo una zona abitabile circumstellare (Circumstellar Habitable Zone, CHZ).
Nella successiva Parte II vedremo come le condizioni per ospitare la vita siano solo parzialmente connesse con la scala planetaria. Come verrà sottolineato, vi è, in generale, una interazione fra il contributo alla vita relativo a una singola scala e ciò che concorre a essa sulle altre scale. In generale il contributo singolo è molto difficile da isolare.
Riguarderemo queste interazioni come effetti del secondo ordine limitandoci, in prima approssimazione, alla considerazione degli ingredienti necessari alla vita nella misura in cui essi sono connessi principalmente a una unica scala.
A partire dalle considerazioni iniziali su scala planetaria (Parte I), il problema della quantità di metalli necessari a formare un pianeta come la Terra, le minacce dovute alle esplosioni di supernovae e la possibile iniezione di comete per effetti mareali galattici, ci obbligheranno a prendere in esame una storia più ampia per la vita, che è quella legata alla formazione della nostra galassia, introducendo la zona di abitabilità galattica (Galactic Habitable Zone, GHZ).
Da qui poi l’orizzonte si allargherà all’evoluzione cosmologica dentro la quale avviene la costruzione degli elementi chimici a essa indispensabili. Il set di vincoli cosmologici perché la vita possa sbocciare, definirà, dal nostro punto di vista, la abitabilità cosmologica (Cosmological Habitability, COSH). In conclusione, la vita con le sue richieste ci porta alla consapevolezza della nostra connessione con l’intero Universo entro cui siamo immersi.
A quale vita ci riferiamo? Naturalmente ci possiamo riferire soltanto a quella sulla Terra, l’unica che conosciamo. Gli ambienti da prendere in considerazione sono quindi quelli adatti a forme di vita complessa aerobica basata sull’ossigeno e sul carbonio, escludendo quindi l’ampio spettro di forme di vita limitato al solo livello di microorganismi. Inoltre tutti gli organismi a noi noti, richiedono la presenza di acqua liquida, almeno durante parte del ciclo della loro vita.
Quindi le richieste essenziali, in ordine di priorità decrescente [2] sono (in parentesi le scale astrofisiche principali di riferimento):

  1. la presenza dei mattoni, cioè gli elementi chimici di base per formare i composti organici: carbonio, ossigeno, azoto e un po’ meno essenziali, fosforo, zolfo, ferro (COSH).

  2. Un tempo sufficientemente lungo, come ci insegna l’esperienza sulla Terra. Infatti gli organismi unicellulari necessitano di almeno un miliardo di anni per apparire dopo la formazione del pianeta. Inoltre per raggiungere forme di vita complesse, pluricellulari è necessario aggiungere ancora circa 2.7 miliardi di anni (Figura 1) (GHZ,COSH).

  3. Condizioni planetarie adatte per ospitare la vita, vale a dire stabilità orbitale e di conseguenza ambienti dotati di stabilità in temperatura e in pressione atmosferica (i composti organici devono non solo potersi formare ma rimanere stabili), con valori compatibili con la presenza di acqua liquida sulla superficie (CHZ).

  4. L’ambiente deve inoltre permettere la formazione di lunghe catene biologiche molecolari (CHZ e GHZ).

La vita umana potrebbe richiedere vincoli ancora più stringenti.

Figura 1: Quadrante del tempo biologico: la vita apparve relativamente presto nella storia della Terra, prima delle sei su una scala di ventiquattro ore (corrispondenti a 4.5 miliardi di anni dalla formazione del sistema solare; minuti e secondi corrispondenti sono dati nella legenda) appaiono i primi organismi unicellulari (linea e freccia rosse corrispondenti circa a un miliardo di anni).
I primi organismi pluricellulari non appaiono però se non la sera circa alle venti (linea e freccia azzurra, corrispondente all’aggiunta ancora di circa 3 miliardi di anni).
L’
Homo Sapiens è l’ultimo arrivato, circa trenta secondi prima della mezzanotte [3]

 

Le diverse scale di abitabilità

Le richieste essenziali viste sono principalmente connesse, attraverso fenomeni fisici, alle tre scale di abitabilità considerate:

  1. quella locale o planetaria, il che significa una richiesta di delimitare una zona abitabile circumstellare (CHZ); l’effetto serra e la presenza di acqua liquida saranno usati come criteri di abitabilità;

  2. quella galattica, che richiede la definizione di una zona di abitabilità galattica (GHZ); i principali ingredienti da prendere in esame sono: la quantità di metalli per avere un pianeta di tipo terrestre, l’effetto delle esplosioni di supernovae, gli effetti mareali galattici sulle comete e il tempo necessario perché si possa sviluppare una vita complessa;

  3. quella cosmologica, che coinvolge il legame fra la vita e l’evoluzione dell’Universo. Parleremo in proposito di abitabilità cosmologica (COSH).

Spesso i vincoli speciali richiesti sono in grado di connettere una scala all’altra con a volte una cospirazione fra i fenomeni che in esse avvengono, difficili da sciogliere.

 

La peculiarità della Terra

Il nostro pianeta possiede varie proprietà molto peculiari che lo rendono idoneo alla vita:

  1. il suo moto di rivoluzione attorno al Sole si svolge a una distanza da esso 1 AU (= 1.496 1011 m) in modo da permettere di avere in superficie l’acqua allo stato liquido, solido e di vapore;

  2. l’atmosfera della Terra è composta principalmente di azoto e ossigeno;

  3. l’intensità del suo campo magnetico (0.3-0.4 Gauss) è la più alta fra quella dei pianeti terrestri e serve a protezione dai raggi cosmici e dal vento solare (Figura 2);

  4. fra i pianeti terrestri la Terra possiede la massa maggiore così come la sua dimensione. Questo fa sì che la velocità di fuga (vale a dire la minima velocità per sfuggire al suo campo gravitazionale) sia molto alta (11.2 Km/s). La conseguenza è la stabilità della sua atmosfera, dato che la perdita di molecole atmosferiche per agitazione termica diventa piuttosto difficile;

  5. l’unico satellite che possiede è la Luna che è sufficientemente pesante (1/80 M0 rapporto più alto nel Ss) e sufficientemente vicina (30 d0) da stabilizzare l’obliquità della Terra, permettendo il regolare succedersi delle stagioni su lunghi tempi scala.

Il confronto con Venere e Marte è riassunto nella Tabella 1

Tabella 1: Dati riassuntivi di Marte e Venere (jpl.nasa.gov)

 

Nelle Figure 2a e 2b sono confrontati anche i gradienti di temperatura determinanti per l’effetto serra (per esempio la tendenza del vapore d’acqua a sfuggire dalla Terra è minima non così per Venere (Figura 3a) e Marte (Figura 3b) [4]).

Figura 2a: Gradiente di temperatura per l’atmosfera della Terra

Figura 2b: Rappresentazione artistica del campo magnetico della Terra

 

Figura 3a: Gradiente di temperatura per l’ atmosfera di Venere

Figura 3b: Gradiente di temperatura per l’atmosfera di Marte (linea rossa), confrontato con quello terrestre (linea blu)