La possibilità della vita sui pianeti acquatici

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

La maggior parte dei pianeti che conosciamo hanno una massa maggiore della Terra, ma inferiore a Saturno. Molto spesso, tra questi ci sono "mini-nettuni" e "super-terre" - oggetti un paio di volte più massicci del nostro pianeta. Le scoperte degli ultimi anni danno sempre più motivo di credere che le super-Terre siano pianeti la cui composizione è molto diversa dalla nostra. Inoltre, si è scoperto che è probabile che i pianeti terrestri di altri sistemi differiscano dalla Terra in elementi e composti di luce molto più ricchi, inclusa l'acqua. E questo è un buon motivo per chiedersi quanto siano in forma per la vita.

Le suddette differenze tra l'ex-terra e la Terra sono spiegate dal fatto che tre quarti di tutte le stelle nell'Universo sono nane rosse, luminari molto meno massicci del Sole. Le osservazioni mostrano che i pianeti intorno a loro si trovano spesso nella zona abitabile, cioè dove ricevono dalla loro stella circa la stessa energia della Terra dal Sole. Inoltre, ci sono spesso moltissimi pianeti nella zona abitabile delle nane rosse: nella "cintura dei riccioli d'oro" della stella TRAPPIST-1, ad esempio, ci sono tre pianeti contemporaneamente.

E questo è molto strano. La zona abitabile delle nane rosse si trova a milioni di chilometri dalla stella, e non a 150-225 milioni, come nel sistema solare. Nel frattempo, diversi pianeti contemporaneamente non possono formarsi a milioni di chilometri dalla loro stella: le dimensioni del suo disco protoplanetario non lo consentiranno. Sì, una nana rossa ce l'ha meno di una gialla, come il nostro Sole, ma non cento o cinquanta volte.

La situazione è ulteriormente complicata dal fatto che gli astronomi hanno imparato a "pesare" più o meno accuratamente i pianeti nelle stelle lontane. E poi si è scoperto che se mettiamo in relazione la loro massa e le dimensioni, risulta che la densità di tali pianeti è due o anche tre volte inferiore a quella della Terra. E questo è, in linea di principio, impossibile se questi pianeti si fossero formati a milioni di chilometri dalla loro stella. Perché con una disposizione così stretta, la radiazione del luminare dovrebbe letteralmente spingere verso l'esterno la maggior parte degli elementi luminosi.

Questo è esattamente quello che è successo nel sistema solare, per esempio. Diamo un'occhiata alla Terra: si è formata nella zona abitabile, ma l'acqua nella sua massa non è più di un millesimo. Se la densità di un numero di mondi nelle nane rosse è da due a tre volte inferiore, allora l'acqua non è inferiore al 10 percento, o anche di più. Cioè, cento volte di più che sulla Terra. Di conseguenza, si sono formati al di fuori della zona abitabile e solo successivamente vi sono migrati. È facile per la radiazione stellare privare gli elementi luminosi delle zone del disco protoplanetario vicine al luminare. Ma è molto più difficile privare un pianeta già pronto che è migrato dalla parte lontana del disco protoplanetario di elementi leggeri: gli strati inferiori sono protetti da quelli superiori. E la perdita d'acqua è inevitabilmente piuttosto lenta. Una tipica super-terra nella zona abitabile non sarà in grado di perdere nemmeno la metà della sua acqua e durante l'intera esistenza, ad esempio, del sistema solare.

Quindi, le stelle più massicce dell'Universo hanno spesso pianeti in cui c'è molta acqua. Questo, molto probabilmente, significa che ci sono molti più pianeti di questo tipo rispetto alla Terra. Pertanto, sarebbe bene capire se in tali luoghi esiste la possibilità dell'emergere e dello sviluppo di una vita complessa.

Hai bisogno di più minerali

Ed è qui che iniziano i grandi problemi. Non ci sono analoghi stretti di super-terre con una grande quantità di acqua nel sistema solare e, in assenza di esempi disponibili per l'osservazione, gli scienziati planetari non hanno letteralmente nulla da cui partire. Dobbiamo guardare il diagramma di fase dell'acqua e capire quali parametri saranno per i diversi strati dei pianeti oceanici.

Diagramma di fase dello stato dell'acqua. Le modifiche del ghiaccio sono indicate da numeri romani. Quasi tutto il ghiaccio sulla Terra appartiene al gruppo I_h, e una frazione molto piccola (nell'alta atmosfera) - a I_C… Immagine: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Si scopre che se c'è 540 volte più acqua su un pianeta delle dimensioni della Terra che qui, allora sarà completamente coperto da un oceano profondo più di cento chilometri. Sul fondo di tali oceani, la pressione sarà così grande che inizierà a formarsi ghiaccio di tale fase, che rimane solido anche a temperature molto elevate, poiché l'acqua è tenuta solida dall'enorme pressione.

Se il fondo dell'oceano planetario è ricoperto da uno spesso strato di ghiaccio, l'acqua liquida sarà privata del contatto con le rocce solide di silicato. Senza tale contatto, i minerali in esso contenuti, infatti, non avranno da dove venire. Peggio ancora, il ciclo del carbonio sarà interrotto.

Cominciamo dai minerali. Senza fosforo, la vita - nelle forme a noi note - non può essere, perché senza di esso non ci sono nucleotidi e, di conseguenza, nessun DNA. Sarà difficile senza calcio - ad esempio, le nostre ossa sono composte da idrossiapatite, che non può fare a meno di fosforo e calcio. A volte sorgono problemi con la disponibilità di determinati elementi sulla Terra. Ad esempio, in Australia e Nord America in alcune località c'è stata un'assenza anormalmente lunga di attività vulcanica e nei suoli in alcuni luoghi c'è una grave mancanza di selenio (fa parte di uno degli amminoacidi, necessari per la vita). Da questo, mucche, pecore e capre sono carenti di selenio, e talvolta questo porta alla morte del bestiame (l'aggiunta di selenite all'alimentazione del bestiame negli Stati Uniti e in Canada è persino regolata dalla legge).

Alcuni ricercatori suggeriscono che il solo fattore della disponibilità di minerali dovrebbe rendere gli oceani-pianeti dei veri e propri deserti biologici, dove la vita, se c'è, è estremamente rara. E semplicemente non stiamo parlando di forme davvero complesse.

Condizionatore rotto

Oltre alle carenze di minerali, i teorici hanno scoperto un secondo potenziale problema dei pianeti-oceani, forse anche più importante del primo. Stiamo parlando di malfunzionamenti nel ciclo del carbonio. Sul nostro pianeta, è la ragione principale dell'esistenza di un clima relativamente stabile. Il principio del ciclo del carbonio è semplice: quando il pianeta diventa troppo freddo, l'assorbimento dell'anidride carbonica da parte delle rocce rallenta bruscamente (il processo di tale assorbimento procede rapidamente solo in un ambiente caldo). Allo stesso tempo, le "forniture" di anidride carbonica con le eruzioni vulcaniche stanno andando di pari passo. Quando il legame del gas diminuisce e l'apporto non diminuisce, la concentrazione di CO₂ aumenta naturalmente. I pianeti, come sai, sono nel vuoto dello spazio interplanetario e l'unico modo significativo di perdita di calore per loro è la sua radiazione sotto forma di onde infrarosse. L'anidride carbonica assorbe tale radiazione dalla superficie del pianeta, motivo per cui l'atmosfera si riscalda leggermente. Questo fa evaporare il vapore acqueo dalla superficie dell'acqua degli oceani, che assorbe anche la radiazione infrarossa (un altro gas serra). Di conseguenza, è la CO₂ che funge da principale iniziatore nel processo di riscaldamento del pianeta.

È questo meccanismo che porta al fatto che i ghiacciai sulla Terra prima o poi finiscono. Inoltre, non gli consente di surriscaldarsi: a temperature eccessivamente elevate, l'anidride carbonica è più rapidamente legata alle rocce, dopodiché, a causa della tettonica delle placche della crosta terrestre, affondano gradualmente nel mantello. Livello di CO₂cade e il clima diventa più fresco.

L'importanza di questo meccanismo per il nostro pianeta difficilmente può essere sopravvalutata. Immaginate per un secondo il guasto di un condizionatore d'aria a carbonio: diciamo, i vulcani hanno smesso di eruttare e non forniscono più anidride carbonica dalle viscere della Terra, che un tempo vi scendeva con le vecchie placche continentali. La primissima glaciazione diventerà letteralmente eterna, perché più ghiaccio c'è sul pianeta, più radiazione solare riflette nello spazio. E una nuova porzione di CO₂ non sarà in grado di scongelare il pianeta: non avrà da dove venire.

Questo è esattamente come, in teoria, dovrebbe essere sui pianeti-oceano. Anche se l'attività vulcanica a volte può sfondare il guscio di ghiaccio esotico sul fondo dell'oceano planetario, c'è poco di buono in questo. In effetti, sulla superficie del mondo marino, semplicemente non ci sono rocce che potrebbero legare l'anidride carbonica in eccesso. Cioè, può iniziare il suo accumulo incontrollato e, di conseguenza, il surriscaldamento del pianeta.

Qualcosa di simile - vero, senza alcun oceano planetario - è successo su Venere. Non esiste nemmeno una tettonica a zolle su questo pianeta, anche se il motivo per cui ciò è accaduto non è realmente noto. Pertanto, le eruzioni vulcaniche lì, sfondando a volte attraverso la crosta, immettono molta anidride carbonica nell'atmosfera, ma la superficie non può legarla: le placche continentali non affondano e non ne sorgono di nuove. Pertanto, la superficie delle lastre esistenti ha già vincolato tutta la CO₂, che potrebbe e non può assorbire di più, e fa così caldo su Venere che il piombo lì rimarrà sempre liquido. E questo nonostante il fatto che, secondo i modelli, con l'atmosfera terrestre e il ciclo del carbonio, questo pianeta sarebbe un gemello abitabile della Terra.

C'è vita senza aria condizionata?

I critici dello "sciovinismo terrestre" (la posizione secondo cui la vita è possibile solo su "copie della Terra", pianeti con condizioni strettamente terrestri) si sono immediatamente posti la domanda: perché, in effetti, tutti hanno deciso che i minerali non sarebbero stati in grado di sfondare un strato di ghiaccio esotico? Più forte e impenetrabile è il coperchio su qualcosa di caldo, più energia si accumula sotto di esso, che tende a scoppiare. Ecco la stessa Venere: la tettonica a placche non sembra esistere e l'anidride carbonica è fuggita dalle profondità in quantità tali che non c'è vita da essa nel senso letterale della parola. Di conseguenza, lo stesso è possibile con la rimozione dei minerali verso l'alto: le rocce solide durante le eruzioni vulcaniche cadono completamente verso l'alto.

Anche così, rimane un altro problema: il "condizionatore d'aria rotto" del ciclo del carbonio. Un pianeta oceanico può essere abitabile senza di esso?

Ci sono molti corpi nel sistema solare sui quali l'anidride carbonica non svolge affatto il ruolo di principale regolatore del clima. Ecco, diciamo, Titano, una grande luna di Saturno.

Titanio. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Università di Nantes, Virginia Pasek, Università dell'Arizona

Il corpo è trascurabile rispetto alla massa della Terra. Tuttavia, si è formato lontano dal Sole e la radiazione del luminare non ha "evaporato" da esso gli elementi leggeri, incluso l'azoto. Ciò conferisce a Titano un'atmosfera di azoto quasi puro, lo stesso gas che domina il nostro pianeta. Ma la densità della sua atmosfera di azoto è quattro volte quella della nostra - con la gravità è sette volte più debole.

A prima vista il clima di Titano, c'è una sensazione costante che sia estremamente stabile, sebbene non ci sia un condizionatore d'aria "carbonio" nella sua forma diretta. Basti pensare che la differenza di temperatura tra il polo e l'equatore di Titano è di soli tre gradi. Se la situazione fosse la stessa sulla Terra, il pianeta sarebbe molto più uniformemente popolato e generalmente più adatto alla vita.

Inoltre, i calcoli di alcuni gruppi scientifici hanno dimostrato: con una densità dell'atmosfera cinque volte superiore a quella della Terra, cioè un quarto superiore a quella di Titano, anche l'effetto serra del solo azoto è abbastanza per far diminuire le fluttuazioni di temperatura quasi a zero. Su un pianeta del genere, giorno e notte, sia all'equatore che al polo, la temperatura sarebbe sempre la stessa. La vita terrena può solo sognare una cosa del genere.

I pianeti-oceano in termini di densità sono solo al livello di Titano (1, 88 g / cm) e non della Terra (5, 51 g / cm). Diciamo che tre pianeti nella zona abitabile di TRAPPIST-1 a 40 anni luce da noi hanno una densità da 1,71 a 2,18 g/cm³. In altre parole, molto probabilmente, tali pianeti hanno una densità di atmosfera di azoto più che sufficiente per avere un clima stabile grazie al solo azoto. L'anidride carbonica non può trasformarle in Venere incandescente, perché una massa d'acqua davvero grande può legare molta anidride carbonica anche senza tettonica a zolle (l'anidride carbonica viene assorbita dall'acqua, e maggiore è la pressione, più può contenerla).

Deserti del mare profondo

Con ipotetici batteri extraterrestri e archaea, tutto sembra essere semplice: possono vivere in condizioni molto difficili e per questo non hanno affatto bisogno di un'abbondanza di molti elementi chimici. È più difficile con le piante e una vita altamente organizzata che vive a loro spese.

Quindi, i pianeti oceanici possono avere un clima stabile, molto probabilmente più stabile di quello della Terra. È anche possibile che ci sia una notevole quantità di minerali disciolti nell'acqua. Eppure, la vita non c'è affatto Shrovetide.

Diamo uno sguardo alla Terra. Fatta eccezione per gli ultimi milioni di anni, la sua terra è estremamente verde, quasi priva di macchie marroni o gialle dei deserti. Ma l'oceano non sembra affatto verde, ad eccezione di alcune strette zone costiere. Perché?

Il fatto è che sul nostro pianeta l'oceano è un deserto biologico. La vita richiede anidride carbonica: "costruisce" biomassa vegetale e solo da essa può essere alimentata la biomassa animale. Se c'è CO nell'aria intorno a noi₂ più di 400 ppm com'è adesso, la vegetazione è in fiore. Se fosse inferiore a 150 parti per milione, tutti gli alberi morirebbero (e questo potrebbe accadere in un miliardo di anni). Con meno di 10 parti di CO₂ per milione tutte le piante in genere morirebbero, e con esse tutte le forme di vita veramente complesse.

A prima vista, questo dovrebbe significare che il mare è una vera distesa di vita. In effetti, gli oceani della terra contengono cento volte più anidride carbonica dell'atmosfera. Pertanto, dovrebbe esserci molto materiale da costruzione per le piante.

In realtà, nulla è più lontano dalla verità. L'acqua negli oceani della Terra è di 1,35 quintilioni (miliardi di miliardi) di tonnellate e l'atmosfera è poco più di cinque quadrilioni (milioni di miliardi) di tonnellate. Cioè, c'è notevolmente meno CO in una tonnellata d'acqua.₂di una tonnellata d'aria. Le piante acquatiche negli oceani della Terra hanno quasi sempre molta meno CO₂ a loro disposizione rispetto a quelli terrestri.

A peggiorare le cose, le piante acquatiche hanno un buon tasso metabolico solo in acqua calda. Vale a dire, in esso, CO₂ tanto meno perché la sua solubilità in acqua diminuisce con l'aumentare della temperatura. Pertanto, le alghe - rispetto alle piante terrestri - esistono in condizioni di costante colossale carenza di CO.₂.

Ecco perché i tentativi degli scienziati di calcolare la biomassa degli organismi terrestri mostrano che il mare, che occupa i due terzi del pianeta, fornisce un contributo insignificante alla biomassa totale. Se prendiamo la massa totale di carbonio - il materiale chiave nella massa secca di qualsiasi creatura vivente - gli abitanti della terra, allora è pari a 544 miliardi di tonnellate. E nei corpi degli abitanti dei mari e degli oceani - solo sei miliardi di tonnellate, briciole dalla tavola del padrone, poco più dell'uno per cento.

Tutto ciò può portare all'opinione che, sebbene la vita sui pianeti-oceano sia possibile, sarà molto, molto sgradevole. La biomassa della Terra, se fosse coperta da un oceano, a parità di altre condizioni, sarebbe, in termini di carbonio secco, solo 10 miliardi di tonnellate, cinquanta volte inferiore a quella attuale.

Tuttavia, anche qui è troppo presto per porre fine ai mondi acquatici. Il fatto è che già ad una pressione di due atmosfere, la quantità di CO₂, che può dissolversi in acqua di mare, più del doppio (per una temperatura di 25 gradi). Con atmosfere da quattro a cinque volte più dense di quella terrestre - e questo è esattamente quello che ti aspetteresti su pianeti come TRAPPIST-1e, g e f - può esserci così tanta anidride carbonica nell'acqua che l'acqua degli oceani locali inizierà ad avvicinarsi l'aria terrestre. In altre parole, le piante acquatiche sui pianeti e sugli oceani si trovano in condizioni molto migliori che sul nostro pianeta. E dove c'è più biomassa verde e gli animali hanno una base alimentare migliore. Cioè, a differenza della Terra, i mari dei pianeti-oceani potrebbero non essere deserti, ma oasi di vita.

Pianeti Sargasso

Ma cosa fare se il pianeta oceano, a causa di un malinteso, ha ancora la densità dell'atmosfera terrestre? E qui non è tutto così male. Sulla Terra, le alghe tendono ad attaccarsi al fondo, ma dove non ci sono le condizioni per questo, si scopre che le piante acquatiche possono nuotare.

Alcune delle alghe sargassum utilizzano sacche piene d'aria (assomigliano all'uva, da cui la parola portoghese "sargasso" nel nome del Mar dei Sargassi) per fornire galleggiabilità, e in teoria ciò consente di assumere CO₂ dall'aria, e non dall'acqua, dove è scarsa. A causa della loro galleggiabilità, è più facile per loro fare la fotosintesi. È vero, tali alghe si riproducono bene solo a temperature dell'acqua piuttosto elevate, e quindi sulla Terra sono relativamente buone solo in alcuni luoghi, come il Mar dei Sargassi, dove l'acqua è molto calda. Se il pianeta oceanico è abbastanza caldo, anche la densità atmosferica terrestre non è un ostacolo insormontabile per le piante marine. Potrebbero benissimo prendere CO₂ dall'atmosfera, evitando i problemi di bassa anidride carbonica in acqua calda.

Alghe Sargassi. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

È interessante notare che le alghe galleggianti nello stesso Mar dei Sargassi danno origine a un intero ecosistema galleggiante, qualcosa come una "terra galleggiante". Vi vivono i granchi, per i quali è sufficiente il galleggiamento delle alghe per muoversi sulla loro superficie come se fosse terra. Teoricamente, nelle aree calme del pianeta oceanico, gruppi galleggianti di piante marine possono sviluppare una vita piuttosto "terrena", anche se non troverai la terra stessa lì.

Controlla il tuo privilegio, terrestre

Il problema di identificare i luoghi più promettenti per la ricerca della vita è che finora abbiamo pochi dati che ci permetterebbero di individuare i portatori di vita più probabili tra i pianeti candidati. Di per sé, il concetto di "zona abitabile" non è il miglior assistente qui. In esso, quei pianeti sono considerati adatti alla vita che ricevono dalla loro stella una quantità di energia sufficiente per sostenere serbatoi liquidi almeno su una parte della loro superficie. Nel sistema solare, sia Marte che la Terra sono nella zona abitabile, ma al primo complesso la vita sulla superficie è in qualche modo impercettibile.

Principalmente perché questo non è lo stesso mondo della Terra, con un'atmosfera e un'idrosfera fondamentalmente differenti. La rappresentazione lineare nello stile di "il pianeta-oceano è la Terra, ma solo coperta d'acqua" può portarci nella stessa delusione che esisteva all'inizio del 20 ° secolo sull'idoneità di Marte per la vita. I veri oceanidi possono differire nettamente dal nostro pianeta: hanno un'atmosfera completamente diversa, diversi meccanismi di stabilizzazione del clima e persino diversi meccanismi per fornire anidride carbonica alle piante marine.

Una comprensione dettagliata di come funzionano effettivamente i mondi acquatici ci consente di capire in anticipo quale sarà la zona abitabile per loro, e quindi avvicinarci rapidamente a osservazioni dettagliate di tali pianeti in James Webb e altri promettenti grandi telescopi.

Riassumendo, non si può non ammettere che fino a poco tempo fa le nostre idee su quali mondi sono realmente abitati e quali no, soffrivano troppo dell'antropocentrismo e del geocentrismo. E, come si scopre ora, dal "sushcentrismo" - l'opinione che se noi stessi siamo sorti sulla terra, allora è il posto più importante nello sviluppo della vita, e non solo sul nostro pianeta, ma anche in altri soli. Forse le osservazioni dei prossimi anni non lasceranno nulla di intentato da questo punto di vista.