Nel profondo del pianeta Terra, c'è un nucleo esterno liquido e un nucleo interno solido che controruotano tra loro. Questo crea l'effetto dinamo responsabile della generazione del campo magnetico planetario della Terra. Conosciuto anche come a magnetosfera , questo campo mantiene stabile il nostro clima impedendo che l'atmosfera terrestre venga persa nello spazio. Quindi, quando studiano gli esopianeti rocciosi, gli scienziati si chiedono naturalmente se anche loro abbiano magnetosfere.
Sfortunatamente, finché non saremo in grado di misurare i campi magnetici di un esopianeta, saremo costretti a dedurre la loro esistenza dalle prove disponibili. Questo è esattamente ciò che i ricercatori del Laboratori Nazionali Sandia fatto con la sua Impianto di alimentazione a impulsi Z (PPF). Insieme ai loro partner al Carnegie Institution for Science , sono stati in grado di replicare le pressioni gravitazionali delle 'Super-Terre' per vedere se potevano generare campi magnetici.
Il gruppo di ricerca è stato guidato da Yingwei Fei , un geochimico con Carnegie's Laboratorio Terra e Pianeti (EPL), e Christopher T. Seagle , assegnista di ricerca e dirigente presso i Laboratori Nazionali Sandia (SNL). È stato raggiunto da numerosi ricercatori dell'EPL e del SNL. I loro risultati sono stati presentati in uno studio che è stato recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Rappresentazione artistica della Luna nella magnetosfera terrestre, con il 'vento della Terra' composto da ioni di ossigeno in movimento (grigio) e ioni di idrogeno (blu brillante). Credito: E. Masongsong/UCLA/EPSS/NASA/GSFC SVS
Quando si tratta di misurare l'abitabilità planetaria, gli scienziati sono costretti ad adottare quello che è noto come l'approccio del 'frutto basso'. Ciò significa cercare pianeti simili alla Terra, il che significa essenzialmente pianeti rocciosi con atmosfere dense composte da azoto, ossigeno, anidride carbonica, metano e altri gas. Un'altra considerazione chiave è se un pianeta orbita o meno all'interno della zona abitabile della sua stella madre (HZ).
I pianeti che orbitano all'interno di questo intervallo sperimenteranno temperature abbastanza calde da mantenere l'acqua liquida sulle loro superfici. Tuttavia, come hanno notato gli scienziati negli ultimi anni, l'attività geologica è anche un fattore importante nel mantenimento dell'abitabilità della Terra. Come Richard Carlson, Direttore del Laboratorio Terra e Pianeti, ha spiegato in un Carnegie Science comunicato stampa :
“Sebbene le osservazioni della composizione atmosferica di un esopianeta saranno il primo modo per cercare segni di vita oltre la Terra, molti aspetti dell'abitabilità della superficie di un pianeta sono influenzati da ciò che sta accadendo sotto la superficie del pianeta, ed è qui che l'esperienza di lunga data del ricercatore Carnegie nelle proprietà di materiali rocciosi sottoposti a temperature e pressioni estreme entrano”.
Negli ultimi anni, le indagini sugli esopianeti hanno portato alla scoperta di non meno di 4.341 esopianeti in 3216 sistemi (con altri 5.742 candidati in attesa di conferma). Di quelli confermati, un robusto 1340 è stato identificato come pianeti rocciosi che sono molte volte la massa della Terra e fino a 8 volte la dimensione - da qui la designazione 'Super-Terra'.
La macchina Z dei Laboratori Nazionali Sandia. Crediti: SNL/Randy Montoya
'La capacità di effettuare queste misurazioni è fondamentale per sviluppare modelli affidabili della struttura interna di super-Terre fino a otto volte la massa del nostro pianeta', ha aggiunto Fei. 'Questi risultati avranno un profondo impatto sulla nostra capacità di interpretare i dati osservativi'.
'La domanda che abbiamo di fronte è se qualcuno di questi super pianeti sia effettivamente simile alla Terra, con processi geologici attivi, atmosfere e campi magnetici', ha detto Joshua Townsend, un fisico di Sandia e coautore dell'articolo in un recente SNL comunicato stampa . In altre parole, questi pianeti rocciosi esotici e massicci sono in grado di sostenere la vita come la conosciamo?
Situato nel cuore dei Sandia National Laboratories ad Albuquerque, nel New Mexico, lo Z PPF si affida a strumenti speciali - come l'apparato multi-incudine, il cilindro del pistone e la cella a incudine diamantata - per simulare le condizioni di alta pressione e temperatura in un interno del pianeta. In tal modo, sono in grado di misurare le proprietà fisiche degli esopianeti e imitare i loro ambienti gravitazionali.
Per motivi di studio, il team di Carnegie/SNL ha replicato le pressioni gravitazionali delle 'Super-Terre' applicando l'equivalente di enormi pressioni gravitazionali alla bridgmanite (alias silicato di magnesio) in modo quasi istantaneo. Questo minerale è il materiale più abbondante all'interno dei pianeti rocciosi ed è stato utilizzato per simulare il materiale del mantello di una super-Terra.
Rappresentazione artistica della struttura interna della Terra. Credito: Argonne National Labs
Sottoponendo la bridgmanite a onde d'urto iperveloci generate dalla macchina Z, il team è stato in grado di ricreare pressioni rappresentative di un interno della super-Terra. In queste condizioni, il team ha scoperto che la bridgmanite ha un punto di fusione molto alto, una scoperta che potrebbe avere serie implicazioni per le dinamiche interne delle super-Terre.
Come hanno indicato nel loro studio, in determinati scenari evolutivi termici, enormi pianeti rocciosi potrebbero sviluppare una geodinamo termicamente guidata all'inizio della loro evoluzione. Tuttavia, questo effetto dinamo può scomparire quando il raffreddamento dell'interno del pianeta rallenta, per poi essere riavviato a causa del movimento di elementi più leggeri e della cristallizzazione del nucleo interno.
Gli esperimenti hanno anche permesso la creazione di una tabella di dati che ha mostrato come lo stato dell'interno di un pianeta (solido, liquido o gassoso) varierà in base alle condizioni di pressione, temperatura e densità (e per quanto tempo). come Fei spiegato tramite il rilascio di SNL:
“Per costruire modelli che ci permettano di comprendere le dinamiche interne e la struttura delle super-Terre, dobbiamo essere in grado di prelevare dati da campioni che approssimano le condizioni che si troverebbero lì, che potrebbero superare 14 milioni di volte la pressione atmosferica. Tuttavia, abbiamo continuato a incontrare dei limiti quando si trattava di creare queste condizioni in laboratorio'.
Rappresentazione artistica di un pianeta della Super-Terra in orbita attorno a una stella simile al Sole. Credito: ESO/M. Kornmesser
'Z ha fornito alla nostra collaborazione uno strumento unico che nessun'altra tecnica può eguagliare, per consentirci di esplorare le condizioni estreme degli interni delle super-Terre', ha affermato aggiunto , tramite il rilascio di Carnegie Science. 'I dati di alta qualità senza precedenti della macchina sono stati fondamentali per far progredire la nostra conoscenza delle super-Terre'.
Sulla base della loro analisi dello stato degli interni della super-Terra, il team ha anche prodotto un elenco di sette pianeti forse meritevoli di ulteriori studi. Questi includono 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 b e HD-219134 b. Come Seagle, che inizialmente propose questi esperimenti con Fei, disse :
“Questi pianeti, che abbiamo riscontrato con maggiori probabilità di supportare la vita, sono stati selezionati per ulteriori studi perché hanno rapporti simili alla Terra nel loro ferro, silicati e gas volatili, oltre alle temperature interne che favoriscono il mantenimento dei campi magnetici per la protezione dal vento solare. '
Le Super-Terre sono diventate un punto focale di interesse perché le loro maggiori dimensioni e massa significano che esercitano grandi pressioni gravitazionali. Di conseguenza, è probabile che questi pianeti trattengano le loro atmosfere per periodi di tempo più lunghi, garantendo che la vita abbia maggiori possibilità di emergere ed evolversi verso uno stato di maggiore complessità.
Design artistico della super-Terra GJ 625 b e della sua stella, GJ625 (Gliese 625). Credito: Gabriel Pérez/SMM (IAC)
La loro massa considerevole significa anche che le condizioni di pressione e temperatura al loro interno hanno maggiori probabilità di provocare una geodinamo. Come ha spiegato Townsend, il contrasto tra la Terra e Marte illustra come funziona. 'Poiché Marte era più piccolo, all'inizio aveva un campo gravitazionale più debole', ha detto. 'Poi, quando il suo nucleo si è rapidamente raffreddato, ha perso il suo campo magnetico e la sua atmosfera è stata successivamente rimossa'.
Non è un segreto che il campo della ricerca sugli esopianeti sia cresciuto a passi da gigante negli ultimi decenni. Nei prossimi anni, gli strumenti di prossima generazione prenderanno lo spazio o diventeranno operativi qui sulla Terra. In previsione di ciò, gli scienziati stanno lavorando diligentemente per sviluppare modelli, metodi e strutture che consentiranno una caratterizzazione più rapida.
Questi non solo diranno agli astronomi dove devono guardare, ma aiuteranno anche gli astronomi a riconoscere le firme rivelatrici che potrebbero indicare la presenza della vita (ovvero biofirme). La ricerca della vita oltre la Terra è stata dura e continua finora, e probabilmente lo sarà sempre. Ma diventerà anche molto più eccitante, e presto!
Ulteriori letture: SNL , Carnegie Science , Comunicazioni sulla natura