18 marzo 2015

Cercare la vita nella luce riflessa dagli esopianeti

Come le piante, anche i microrganismi lasciano una propria impronta spettrale nella luce che riflettono. La realizzazione di un database che raccoglie le “firme” spettrali di 137 microrganismi terrestri aumenta la possibilità di individuare in modo “diretto” qualche forma di vita sui pianeti extrasolari(red)

Le caratteristiche spettrali della luce riflessa da 137 microrganismi, compresi molti di quelli che vivono negli ambienti più remoti o più estremi della Terra, sono state raccolte in un database da un gruppo di ricercatori del Max Planck Institut per l’astronomia a Heidelberg, della Cornell University e della NASA, che firmano un articolo sui “Proceednigs of the National Academy of Sciences”. La libreria spettrale (qui) offre un’utile guida per cercare tracce di vita extraterrestre su altri pianeti in base alle caratteristiche della luce che riflettono.
Nello scorso decennio, la ricerca dei pianeti extrasolari è passata rapidamente dalla fase di semplice rilevazione a quella della caratterizzazione in termini di “abitabilità”, ossia della presenza di condizioni tali da consentire lo sviluppo di forme di vita. Tuttavia, gli unici biomarcatori a disposizione degli astrobiologi erano le firme spettrali di molecole di O2 e CH4 nell’atmosfera, potenzialmente frutto di un’attività biologica.

Cercare la vita nella luce riflessa dagli esopianeti
Cortesia NASA

Alla ricerca di questi marcatori indiretti della vita si può però affiancare la ricerca di biomarcatori diretti, come quelli usati dai satelliti di monitoraggio ambientale che orbitano attorno alla Terra e distinguono i diversi tipi di suoli e coperture vegetali in base alla luce che riflettono. Finora, però erano note solo le proprietà spettrali delle piante verdi terrestri, che richiedono parametri ambientali molto specifici, occupando quindi solo una piccola nicchia fra i molti ambienti in cui potrebbe sorgere la vita.

Molti di più sono invece gli ambienti che potrebbero ospitare forme di vita microbica, come è avvenuto sulla Terra, che per gran parte della sua storia ha ospitato solamente forme di via unicellulare, ma le informazioni disponibili sulle proprietà di riflettanza dei microrganismi erano scarsissime.

Ora Siddharth Hegde e colleghi hanno colmato parzialmente questa lacuna creando una biblioteca spettrale digitale che offre un’analisi dettagliata della riflettanza nel visibile, nell’infrarosso vicino (VNIR, 0,35-1,0 micron) e nell’infrarosso a onde corte (SWIR, 1,0-2,5 micron) di 137 microrganismi filogeneticamente diversi.

Questa libreria di dati, osservano gli autori, potrà essere utile nella progettazione di nuovi e più sensibili strumenti per l’analisi della luce proveniente dagli esopianeti, aumentando così le possibilità di rilevare forme di vita extraterrestre.

18 marzo 2015

Verso una verifica sperimentale della schiuma spazio-temporale?

I fotoni che provengono dagli angoli più remoti dell’universo catturati dal telescopio Fermi della NASA possono essere studiati per confermare la validità della teoria della schiuma spazio-temporale, elaborata per coniugare relatività generale e meccanica quantistica. Lo afferma uno studio teorico, secondo cui la precisione delle osservazioni è già sufficiente per escludere alcune varianti della teoria(red)

Le osservazioni del telescopio spaziale Fermi della NASA forniscono un valido metodo per verificare sperimentalmente la teoria della schiuma spazio-temporale, elaborata per coniugare la relatività generale di Albert Einstein con la meccanica quantistica. Lo afferma uno studio teorico pubblicato su “Nature Physics”  da Giovanni Amelino Camelia della “Sapienza” Università di Roma e colleghi.
La relatività generale, di cui quest’anno ricorre il centenario, e la meccanica quantistica sono due grandi teorie che hanno avuto grande successo nel descrivere fenomeni fisici, e in effetti sono state verificate sperimentalmente più e più volte. C’è tuttavia una grande difficoltà nel conciliarle tra loro, o meglio nell’elaborare una teoria più ampia che le comprenda entrambe.

Le difficoltà nascono innanzitutto per la differenze di scale dimensionali: la relatività generale descrive le interazioni gravitazionali tra i corpi macroscopici e che si svolgono su grandi distanze, mentre la teoria quantistica riguarda oggetti microscopici, per esempio gli atomi.

Una delle proposte più affascinanti che cerca di mettere d’accordo relatività generale e meccanica quantistica è quella della cosiddetta schiuma spazio-temporale. Lo spazio-tempo, cioè l’insieme delle tre dimensioni spaziali e di quella temporale, è l’ente fisico-geometrico descritto dalla teoria della relatività generale come una specie di tessuto che permea tutto l’universo.

Ogni massa deforma questo tessuto come farebbe una palla da biliardo o un qualsiasi corpo posato su un lenzuolo fissato ai quattro estremi. Una biglia posata sul lenzuolo, cadrebbe inevitabilmente verso la concavità, finendo a ridosso della palla da biliardo: con lo stesso principio si spiega l’attrazione gravitazionale tra corpi dotati di massa.

Verso una verifica sperimentale della schiuma spazio-temporale?
Illustrazione dei fotoni che dagli angoli remoti del cosmo raggiungono il telescopio spaziale Ferm.i (Cortesia “Sapienza” Università di Roma)

Proseguendo con questa analogia, è possibile pensare che qualunque tessuto visto abbastanza da lontano appaia perfettamente liscio. Avvicinandosi invece si può capire che è dotato di una struttura fine alle scale dimensionali più piccole. La teoria della schiuma, in termini generali, fa proprio questo: postula che il tessuto dello spazio-tempo abbiamo una struttura “porosa” alle scale più piccole, anche dell’ordine di 10 elevato alla meno 35 metri.

Ma proprio le scale estremamente ridotte hanno rappresentato un limite insormontabile per tutti i tentativi di trovare una conferma sperimentale alla teoria della schiuma spazio-temporale. Ora però Amelino Camelia e colleghi hanno scoperto che c’è un modo per verificarla ed è basato su alcune osservazioni astronomiche effettuate con il telescopio spaziale Fermi: a interessare gli autori dello studio è in particolare un lampo di raggi gamma catturato nel 2009.

“I tempi lunghissimi di propagazione dalle sorgenti astrofisiche osservate dal telescopio Fermi, tempi di miliardi di anni, di fatto amplificano gli effetti piccolissimi della schiuma spazio-temporale, portando a un effetto complessivo che è potenzialmente osservabile”, ha spiegato Amelino Camelia.

Il livello di precisione delle misure di Fermi è già sufficiente per escludere alcune varianti della teoria della schiuma spazio-temporale, ma il risultato più importante è aver stabilito un metodo di analisi dei dati di Fermi che potrà essere affinato via via. Proseguendo su questo cammino, le osservazioni del cosmo potrebbero fornire indicazioni “in positivo” su qual è la variante corretta della teoria.

“Il fatto che per la prima volta dati sperimentali ci dicano qualcosa di significativo sulla schiuma anche semplicemente per escludere ciò che essa non è, rappresenta un passo significativo nell’esplorazione di questo scenario”, ha concluso Amelino Camelia.

14 marzo 2015

Il primo sistema idrotermale attivo al di fuori della Terra

Gli scienziati che studiano i dati raccolti dalla sonda Cassini della NASA hanno trovato prove della presenza di camini idrotermali attivi che emergono dall’interno di Encelado, una delle lune di Saturno. Questo aumenta le probabilità che la vita aliena sia in attesa di essere scoperta nelle profondità ricche di acqua di quel mondo di ghiaccio. I camini idrotermali di Encelado infatti sembrano molto simili ad alcuni camini scoperti sulla Terra.

Il primo sistema idrotermale attivo al di fuori della Terra
Le striature azzurre corrispondono alle fratture nella superficie ghiacciata di Encelado da cui emergono i pennacchi di vapore. (Cortesia NASA/JPL/Space Science Institute)

Una delle più importanti teorie sull’origine della vita sulla Terra ipotizza che sia iniziata in camini idrotermali sul fondo dell’oceano, dove l’acqua di mare che filtra attraverso le rocce calde crea ambienti ricchi di energia e di nutrienti capaci di favorire la formazione delle prime cellule. Oggi, i camini idrotermali attivi della Terra sono “oasi” dei fondali che ospitano ecosistemi in grado di fiorire nel buio, isolati dal mondo in superficie. Se in qualche posto diverso dalla Terra si trovassero luoghi in cui rocce calde e acqua si mescolano, la vita potrebbe fiorire anche lì, anche lontano dal Sole. Sistemi di questo tipo potrebbero essere stati comuni agli inizi della storia del sistema solare, quando i pianeti rocciosi e le lune ghiacciate erano ancora relativamente caldi e umidi a causa della loro recente formazione. Ma finora gli scienziati non avevano prove di attività idrotermale in corso al di fuori della Terra.

Le prove ora raccolte sono ancora circostanziali e un po’ incerte, nonostante il loro accumularsi negli ultimi dieci anni. Nel 2005, Cassini ha rilevato pennacchi di vapore acqueo che sgorgavano da misteriose fessure calde vicino al Polo Sud di Encelado. Successivi passaggi ravvicinati alla luna – compresi alcuni in cui la sonda ha attraversato i pennacchi – hanno confermato che nelle vicinanze del Polo Sud, sotto una coltre di 30-40 chilometri di ghiaccio, c’è un oceano profondo una decina di chilometri. Il vapore incontrato dalla sonda durante il passaggio attraverso i pennacchi era salato, come l’acqua di mare, e le piccole variazioni nel campo gravitazionale di Encelado misurate da Cassini suggeriscono che l’oceano si trovi appena al di sopra del nucleo roccioso della luna.

Ma nessuno sapeva in che modo questo oceano fosse collegato alle fessure superficiali da cui sgorga acqua, e molti ricercatori pensavano che il nucleo fosse troppo freddo per sostenere un’attività idrotermale.

Grande più o meno come l’Inghilterra, Encelado è un nanerottolo rispetto alle altre lune ghiacciate, e non ha una massa sufficiente a mantenere il calore originario dei tempi della sua formazione o a contenere grandi quantità di elementi radioattivi che generano calore. Sulla base di queste stime, Encelado dovrebbe essere congelato e solido. Si ritiene che gran parte del calore che permette l’esistenza di un oceano su Encelado sia un effetto della sua orbita attorno a Saturno: le interazioni gravitazionali tra questi due corpi provocano frizioni all’interno di Encelado, generando calore attraverso l’attrito mareale.

Forse, hanno ipotizzato alcuni scienziati, i pennacchi di Encelado e il suo intero oceano sono solo fenomeni transitori, creati da piccole variazioni nella sua orbita: scintille momentanee di calore e di attività in un mondo altrimenti inerte e congelato. Secondo altri, l’oceano di Encelado e i suoi pennacchi potrebbero essere invece caratteristiche antiche e durature che aumentano le possibilità di trovarvi la vita.

Il primo sistema idrotermale attivo al di fuori della Terra
Ricostruzione della struttura Interna di Encelado. (Cortesia NASA/JPL-Caltech)

In effetti, gli astronomi avevano dati che potevano contribuire a risolvere alcuni di questi misteri ancora prima della scoperta dell’oceano di Encelado da parte di Cassini. A gennaio 2004, quando Cassini si stava avvicinando al sistema di Saturno attraverso lo spazio interplanetario, gli strumenti avevano registrato una diffusa doccia di particelle di polvere nanometriche, in qualche modo espulse dal sistema.

Ulteriori incontri con queste polveri – e i modelli fisici elaborati per spiegarle – hanno indicato che questo materiale proveniva da particelle ghiacciate confinate nell’anello E del pianeta, un tenue anello di materiale alimentato dai pennacchi di Encelado. Nel nuovo studio, pubblicato questa settimana su “Nature”, il planetologo Sean Hsu dell’Università del Colorado a Boulder ha studiato, insieme a un gruppo internazionale di ricercatori, origini e dinamiche di questa polvere grazie a esperimenti di laboratorio, modelli al computer e un’analisi più dettagliata dei dati di Cassini.

Precedenti analisi dei dati della sonda avevano mostrato che le particelle di polvere sono composte principalmente di silicio. Hsu e colleghi sostengono che la polvere ricca di silicio è più specificamente polvere di silice, il principale costituente del quarzo, e non silicio puro o carburo di silicio, che difficilmente potrebbero formarsi su una luna come Encelado. Ci sono solo due modi in cui si possono creare simili particelle di silice: “top-down”, ossia in seguito a collisioni fra grani più grandi, o “bottom-up”, ossia attraverso qualche reazione chimica microscopica. Le particelle di polvere di silice incontrate da Cassini sembrano tutte di dimensioni comprese fra 2 e 8 nanometri, una gamma di dimensioni talmente stretta da escludere di fatto una formazione top-down. Supponendo che le particelle osservate da Cassini siano di silice, l’unica fonte bottom-up plausibile è il nucleo roccioso di Encelado, da cui la silice potrebbe essere estratta dall’acqua marina per essere poi espulsa in superficie.

Hsu ammette che ci sono anche altri processi di formazione bottom-up, ma fa notare che funzionano solo in condizioni di laboratorio ben controllate: “Quindi, a meno che non stia avvenendo qualcosa di veramente bizzarro, pensiamo che la nostra interpretazione fondata”.

In una serie di esperimenti di laboratorio progettati per simulare le plausibili condizioni interne di Encelado, Hsu e colleghi sono stati in grado di produrre particelle di silice di dimensioni simili a quelle osservate solo in condizioni termiche e chimiche molto specifiche. Estrapolando i risultati per Encelado, gli esperimenti suggeriscono che l’interfaccia tra nucleo e oceano debba essere sufficientemente calda da far bollire l’acqua, e che quell’acqua sia un po’ più salata e alcalina di quella degli oceani della Terra. Una volta estratta dal nucleo roccioso, la silice cristallizza nel giro di pochi secondi quando è fuori dello strato di acqua arricchita vicina al fondo dell’oceano, e forma nanoparticelle che poi scorrono verso l’alto per il moto convettivo del fluido. Nel giro di alcuni mesi o di pochi anni queste nanoparticelle raggiungono poi le fessure superficiali.

Il primo sistema idrotermale attivo al di fuori della Terra
Un’immagine del polo sud di Encelado. In verde sono indicate le linee di frattura da cui escono vapori. (Cortesia NASA/JPL/Space Science Institute)

Se tutto questo è vero, allora i polverosi pennacchi ghiacciati di Encelado non sono un mero fenomeno superficiale, ma una profonda espressione di processi che avvengono in tutta la luna. Sono previsti ancora tre incontri ravvicinati di Cassini con Encelado, compreso un tuffo finale attraverso un pennacchio poco prima che la sonda venga indirizzata verso una morte ardente nell’atmosfera di Saturno, così da evitare che entri in collisione e contamini le lune ghiacciate del pianeta. Campionare i pennacchi per saperne di più sulle possibilità, passate e presenti, di vita su Encelado sarà compito di missioni future.

La NASA sta valutando per il 2020 circa una missione verso Europa, una luna ghiacciata di Giove, che ospita sotto la superficie un oceano molto più grande e ancora più misterioso. Ma le ultime notizie da Encelado potrebbero influire sulla decisione: ci si può aspettare che alcuni scienziati dichiarino presto che questa piccola misteriosa luna di Saturno rappresenta il loro obiettivo preferito per la prossima missione dell’umanità nel sistema solare esterno.

Una nuova missione potrebbe anche affrontare altri misteri sollevati dalle ultime scoperte. I calcoli su alcalinità e salinità degli oceani di Encelado concordano con le precedenti misurazioni di Cassini sui pennacchi, ma la temperatura stimata del nucleo della luna è una sorpresa. Anche con il notevole attrito delle maree, il mantenimento di temperature così elevate è difficile da spiegare, visto che il freddo oceano sovrastante potrebbe efficacemente estinguere gran parte del calore del nucleo. Lo scenario più probabile è che il nucleo sia fratturato e poroso, e che il suo calore provenga da una combinazione di attriti mareali e processi di serpentinizzazione, una reazione chimica tra acqua e roccia che genera calore. L’effervescente nucleo di Encelado potrebbe cioè essere un po’ come un cuore infranto, tenuto in vita dalle forze di marea che continuano a pompare acqua attraverso le sue vene fratturate. Ma solo ulteriori osservazioni potranno testare questa idea.

Secondo i modelli dinamici di Hsu e colleghi, dopo che le particelle di polvere sono espulse con l’acqua nei pennacchi, congelano in granuli di ghiaccio, e quelli più veloci sfuggono alla gravità di Encelado per raggiungere l’anello E. Lì rimangono per anni prima di essere dispersi nello spazio interplanetario dalle collisioni con gli ioni del plasma intrappolati nel potente campo magnetico di Saturno. Quando alla periferia di Saturno Cassini ha rilevato la polvere espulsa, è stato davvero come vedere quella che Hsu chiama “l’impronta di silicio di Encelado.” Da lì, dice Hsu, le particelle possono volare sulle ali del vento solare per “diventare polvere interstellare, l’impronta di silicio del nostro sistema solare”.

L’impronta di silicio di Encelado, spiega Hsu, dimostra che la polvere merita di essere considerata uno degli strumenti di indagine astronomica più importanti, alla pari con la luce. Un giorno, dice, potremo avere un “telescopio della polvere” su un “osservatorio spaziale della polvere”, che raccolga questi minuscoli detriti sparsi nello spazio per risalire a mondi e a epoche incredibilmente lontani.

(La versione originale di questo articolo è stata pubblicata l’11 marzo 2015 su scientificamerican.com. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati. )