I pianeti contengono più acqua del previsto

Sappiamo che la Terra ha un nucleo di ferro, un mantello di rocce silicatiche e masse d'acqua collegate (oceani) sulla superficie. Questo semplice modello planetario è stato utilizzato finora anche nella scienza per la ricerca dei cosiddetti esopianeti, che orbitano intorno a un'altra stella al di fuori del nostro sistema solare. "Solo negli ultimi anni si è cominciato a riconoscere che i pianeti sono più complessi", afferma Caroline Dorn, professoressa di esopianeti all'ETH di Zurigo.

La maggior parte degli esopianeti oggi conosciuti si trova vicino alla propria stella. Si tratta quindi principalmente di mondi caldi che non hanno ancora un mantello raffreddato di rocce silicatiche come la Terra, ma oceani di magma fuso. L'acqua si scioglie molto bene in questi oceani di magma, a differenza dell'anidride carbonica, per esempio, che si degrada rapidamente e sale in atmosfera.

Il nucleo di ferro si trova sotto il mantello di silicato fuso. Che ne è della distribuzione dell'acqua tra i silicati e il ferro? ? proprio questo che Dorn ha studiato insieme a Haiyang Luo e Jie Deng dell'Università di Princeton, negli Stati Uniti, utilizzando calcoli su modelli basati sulle leggi fondamentali della fisica. I ricercatori presentano i loro risultati nella rivista pagina esternaNatura Astronomia.

Zuppa di magma con acqua e ferro

Per spiegare i risultati, l'autore dello studio Dorn è costretto ad approfondire un po': "Il nucleo di ferro si forma solo con il tempo. Inizialmente, una grande percentuale di ferro è ancora presente sotto forma di goccioline nella zuppa magmatica calda". L'acqua disciolta nella zuppa magmatica si combina prontamente con queste goccioline di ferro e affonda con esse nel nucleo. "Le goccioline di ferro si comportano come un ascensore che porta l'acqua verso il basso", spiega Dorn.

Finora questo comportamento era noto solo per pressioni moderate, come quelle prevalenti sulla Terra. Per i pianeti più grandi, con pressioni interne più elevate, non si sapeva cosa sarebbe successo. "Questo è uno dei risultati più importanti del nostro studio", spiega Dorn: "Più il pianeta è grande e più ha massa, più l'acqua tende a sprofondare con le gocce di ferro verso il nucleo". In determinate condizioni, il ferro può assorbire fino a 70 volte più acqua dei silicati. Tuttavia, sotto l'enorme pressione del nucleo, l'acqua non esce più sotto forma di H₂molecole di O, ma come idrogeno e ossigeno.

Grandi quantità di acqua anche all'interno della Terra

Questo studio ha preso le mosse dalle indagini sul contenuto d'acqua della Terra, che quattro anni fa sono giunte a una conclusione sorprendente: Gli oceani sulla superficie terrestre contengono solo una piccola parte della quantità totale di acqua del nostro pianeta. Il contenuto di oltre 80 oceani potrebbe essere nascosto nell'interno della Terra. Lo dimostrano le simulazioni che hanno calcolato come si comporterebbe l'acqua nelle condizioni che prevalevano sulla Terra giovane. Gli esperimenti e le misurazioni sismologiche sono coerenti con questa ipotesi.

Le nuove scoperte sulla distribuzione dell'acqua nei pianeti hanno un effetto drastico sull'interpretazione dei dati delle osservazioni astronomiche. Con i loro telescopi nello spazio e sulla Terra, gli astronomi possono misurare il peso e le dimensioni di un esopianeta in determinate circostanze. Da ciò derivano i cosiddetti diagrammi massa-raggio, da cui si possono trarre conclusioni sulla composizione del pianeta. Se si ignora la solubilità e la distribuzione dell'acqua - come è stato fatto finora - la quantità di acqua viene drasticamente sottostimata, fino a dieci volte. "I pianeti sono molto più ricchi di acqua di quanto si pensasse", afferma Dorn.

Comprendere la storia dello sviluppo

La distribuzione dell'acqua è importante anche per capire come si formano ed evolvono i pianeti. L'acqua che è affondata nel nucleo rimane intrappolata lì per sempre. L'acqua disciolta nell'oceano magmatico del mantello, invece, può fuoriuscire durante il raffreddamento del mantello terrestre e raggiungere la superficie. "Quindi, se si trova acqua nell'atmosfera di un pianeta, probabilmente ce n'è molta di più all'interno", spiega Dorn.

Alla ricerca Il telescopio spaziale James Webb,Il veicolo spaziale, che da due anni invia dati dallo spazio alla Terra, è in grado di rilevare le molecole presenti nel pianeta. ? in grado di rilevare le molecole presenti nell'atmosfera degli esopianeti. "Solo la composizione dell'atmosfera superiore degli esopianeti può essere misurata direttamente", spiega il ricercatore: "Nel nostro gruppo, vogliamo stabilire un collegamento tra l'atmosfera e l'interno profondo dei corpi celesti".

I nuovi dati provenienti dall'esopianeta TOI-270d sono particolarmente interessanti. "Sono state raccolte prove che tali interazioni tra l'oceano di magma all'interno e l'atmosfera esistono davvero", dice Dorn, che ha partecipato alla pubblicazione corrispondente su TOI-270d. La sua lista di oggetti interessanti che vuole indagare in modo più approfondito comprende anche il pianeta K2-18b, che ha fatto notizia perché potrebbe ospitare la vita.

Mondi acquatici amici della vita?

L'acqua è considerata uno dei prerequisiti per lo sviluppo della vita. Per molto tempo si è speculato sulla possibile abitabilità di super-Terre ricche d'acqua, ovvero pianeti grandi come poche Terre la cui superficie è coperta da un profondo oceano globale. I calcoli suggerirono allora che troppa acqua poteva essere ostile alla vita. Il ragionamento era che su questi mondi acquatici, uno strato di ghiaccio esotico ad alta pressione alla transizione tra l'oceano e il mantello del pianeta avrebbe impedito lo scambio di sostanze vitali.

Il nuovo studio giunge ora a una conclusione diversa: I mondi con strati d'acqua profondi probabilmente non sono frequenti, poiché la maggior parte dell'acqua sulle super-Terre non si trova in superficie, come si pensava in precedenza, ma è intrappolata nel nucleo. Pertanto, anche i pianeti con una percentuale relativamente alta di acqua potrebbero avere il potenziale per sviluppare condizioni simili alla Terra e favorevoli alla vita, ipotizzano i ricercatori. Il loro studio getta nuova luce sulla possibile esistenza di mondi ricchi di acqua che potrebbero ospitare la vita, concludono Dorn e i suoi colleghi.

Caroline Dorn è professoressa di esopianeti presso il Dipartimento di fisica dell'ETH di Zurigo. La sua ricerca fa parte del progettopagina esternaPolo di ricerca nazionale (PRN) PlanetSe iCentre for Origin and Prevalence of Life (COPL)l'ETH.