Alla ricerca dei giusti marcatori nei pianeti extrasolari

Credit: Il Poliedrico

Credit: Il Poliedrico

L’esistenza di pianeti extrasolari è ormai accertata al di là di ogni ragionevole dubbio.
Strumenti come il satellite Kepler e la spettrometria doppler hanno mostrato che quasi ogni stella dalla classe G in giù [1] accoglie in sé un sistema planetario.
Anche se questa appare già come una grande scoperta dal punto di vista sia scientifico che filosofico, la domanda successiva è: quali di questi pianeti hanno le caratteristiche fisiche adatte per sostenere la vita?
Innanzitutto è necessario che la condizione primaria sia accertata, ovvero che il pianeta extrasolare  orbiti all’interno dell’ecosfera della sua stella (zona Goldilocks) e che quindi riceva la giusta quantità di energia per sostenere l’acqua liquida entro un arco abbastanza ampio di temperature. Questo significa che il pianeta non deve essere troppo piccolo, così da permettere la presenza di una atmosfera abbastanza stabile e densa da consentire la presenza costante di acqua liquida 1. A questo punto non c’è che da sperare di rilevare un pianeta che, avendo tutti i requisiti necessari, sia riuscito a sviluppare la Vita. Al di là del tentativo – per ora infruttuoso – di scovare segnali radio di altre civiltà extraterrestri, non resta che cercare altri segnali che indichino comunque la presenza di Vita. Prendendo l’unico esempio disponibile, cioè la Terra, le firme vitali più evidenti dallo spazio sono quelle d’acqua, dell’ossigeno gassoso nell’atmosfera e della clorofilla.

Confronto fra gli spettri della Terra e  di un gemello Terra convoluta per un dato spec- Risoluzione trale con una funzione di line-spread gaussiana. L'assorbimento di spicco O2  caratteristica a 0,76 micron diventa completamente mescolato con la vicina giochi d'acqua  per R    20, mentre la funzione O3 è ampio e poco profondo, e molto difficile da vedere.

Confronto fra lo spettro terrestre e quello previsto per un ipotetico pianeta gemello della Terra.  La riga di assorbimento dell’ossigeno biatomico (O2) a 0,76 micron viene quasi nascosta dal segnale dell’acqua finché la risoluzione spettrale è piuttosto bassa (R=20); mentre l’ozono (O3) rimane poco visibile a tutte le risoluzioni calcolate.

Timothy Brandt e David Spiegel dell’Institute for Advanced Study della Princeton University nel New Jersey. si sono posti questa domanda e hanno tentato di elaborare l’aspetto della firma biologica che la Vita potrebbe imprimere sullo spettro di un pianeta [2].
Questo studio è necessario anche per poter ideare gli strumenti che poi saranno costruiti proprio per questo scopo. E infatti il loro studio ha dato risultati molto importanti.

La molecola di gran lunga più semplice da individuare è quella dell’acqua, anche se per i due ricercatori occorre ancora un potere di contrasto che solo un telescopio fuori dall’atmosfera può ottenere: 1 su 10^{10}.
Se il potere risolutivo 2 R=20 alle lunghezze d’onda inferiori a 760 nm (0,76 \mu m) è  già disponibile con la tecnologia attuale, una risoluzione maggiore (diciamo 700/5 nm) necessaria per distinguere correttamente il segnale dell’ossigeno molecolare è ancora al di là del limite strumentale attuale, anche se sicuramente verrà presto raggiunto dalle prossime generazioni di spettrografi. Frequenze assorbimento piante
Molto più difficile invece sarà rintracciare una qualche forma di clorofilla.
I ricercatori indicano una regione intorno a 700 nm chiamata vegetation red edge (SRE), come indicatore importante della presenza di vegetazione. Osservando l’immagine qui a sinistra è evidente che (sulla Terra) tutta l’attività fotosintetica si interrompe bruscamente alla fine dello spettro visibile perché il livello di energia dei fotoni alle lunghezze d’onda più lunghe di circa 700 nm non è più sufficiente per sintetizzare le molecole organiche 3. Qui la vegetazione diventa quasi trasparente nel vicino infrarosso. Questo repentino cambiamento della riflettività può essere stimato tra il 5% e il 50%  tra i 680 e i 730 nm.
Anche questo fenomeno, peraltro non riproducibile da nessun altro fenomeno fisico naturale, potrebbe essere un altro interessante indicatore per capire se una qualche forma di vita che faccia ricorso alla fotosintesi sia presente su un esopianeta [3].

Se prendiamo le tre forme principali della clorofilla (clorofilla A e B, β carotene 4) vediamo che la capacità di assorbire la luce dove anche c’è il picco massimo di assorbimento, intorno ai 400 – 500 nm 5, mentre solo una minuscola parte dello spettro rosso viene coinvolta nel ciclo della fotosintesi.  Nelle piante superiori i pigmenti sono per la maggior parte clorofilla del tipo A e del tipo B.
Le clorofille assorbono la luce rossa e blu e trasmettono e riflettono quella verde, da questo dipende la colorazione della maggior parte delle piante.
Le altre due che ho menzionato nell’immagine, la ficoeritrina 6 e la ficocianina 7 sono solo, come ho spiegato  nelle note, dei pigmenti accessori della Clorofilla A.
Questo fa sì che il meccanismo della fotosintesi, almeno sulla Terra, sia estremamente efficiente nell’intercettare e sfruttare ogni singolo joule di energia luminosa emesso dal Sole nello spettro visibile. Però non sappiamo se un meccanismo simile sia presente e come possa essere strutturato su un altro pianeta, ma è possibile – in linea di massima – immaginarlo.

spettro.coloreLa radiazione emessa da una stella (nel nostro caso il Sole) emette una radiazione approssimata di corpo nero il cui picco è centrato sulla banda visibile dello spettro elettromagnetico. Quindi c’è da aspettarsi che, piuttosto ragionevolmente, questo sia vero anche per le altre stelle.
E siccome il picco di corpo nero varia in funzione della temperatura superficiale della stella, è naturale pensare che su pianeti di altre stelle se mai si fosse sviluppata come la fotosintesi 8 [4], tale processo si sarà ottimizzato proprio per recepire il picco massimo della radiazione incidente alla superficie del pianeta 9  [5].

A questo punto appare evidente che la ricerca di altre forme di vita su altri pianeti  non è così poi al di fuori della portata , anche strumentale, di quanto si possa credere. Anche le speculazioni, perfino sulle forme di certi processi biologici, su cosa cercare certo non mancano. Magari mi lascia perplesso l’impronta dell’ossigeno, ma questo sarà un tema che verrà affrontato prossimamente.


Note:

Note:

  1. Anche altre caratteristiche a mio avviso sono importanti per l’avvio e il mantenimento dei processi vitali su un pianeta, ma ipotizziamo che essi siano comunque soddisfatte o che abbiano una rilevanza minima da non inficiare il resto del ragionamento
  2. La risoluzione spettrale (o potere risolutivo) è una misura del potere separazione di una spettrografo che corrisponde alla capacità di distinguere due lunghezze d’onda contigue. Maggiore è la risoluzione, più dettagliato sarà lo spettro che è possibile ottenere e misurare. La sua formula è: R=\frac{\lambda}{\delta\lambda}.
  3. Questo non è propriamente esatto. Ci sono particolari pigmenti (clorofilla D, clorofilla F) tipici di alcune varietà di cianobatteri, che consentono la fotosintesi fino a 720 nm.
  4. I carotenoidi devono il loro nome al carotene, un pigmento giallo-arancio scoperto nel XIX secolo nella radice della carota comune. Questi pigmenti, che vanno dal giallo al violetto, sono molto diffusi in natura. La famiglia dei carotenoidi racchiude i caroteni e le xantofille.
  5.  Solo la clorofilla A è capace di convertire l’energia luminosa in energia chimica, mentre la clorofilla B e i carotenoidi sono soltanto dei pigmenti accessori. Questi catturano la luce in altre porzioni di spettro che non direttamente assorbite dalla clorofilla A, ampliando in parte la gamma delle radiazioni utili per la fotosintesi.
  6. La Ficoeritrina è un pigmento rosso della famiglia delle ficobilline che consente alla clorofilla A di intercettare lo spettro verde nelle alghe rosse. Per questo appare rossa.
  7. La Ficocianina è, come la ficoeritrina, un altro pigmento proteico (azzurro) accessorio della clorofilla A della famiglia delle ficobiline insieme alla alloficocianina (blu, assorbe a tra i 620 e 650 nm). È il pigmento principale dei cianobatteri (alge verdi-azzurre)
  8. Le normali leggi fisiche appaiono universali e quindi è ragionevole pensare che lo siano anche le leggi che governano la biochimica. Di conseguenza, anche processi simili dovrebbero dar luogo a meccanismi di risposta simili. Per questo gli scienziati credono che un processo analogo alla fotosintesi debba essere delegato a una particolare classe di molecole organiche chiamate porfirine.
  9. Picco massimo che non  necessariamente coincide con quello di emissione della stella perché  per l’effetto di assorbimento molecolare dei gas atmosferici molte porzioni dello spettro non raggiungono la superficie
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Riferimenti:

  1. U. Genovese, "Classificazione stellare - Il Poliedrico", Il Poliedricohttp://ilpoliedrico.com/utility/classificazione-stellare
  2. O. Mass, M. Taniguchi, M. Ptaszek, J.W. Springer, K.M. Faries, J.R. Diers, D.F. Bocian, D. Holten, and J.S. Lindsey, "Structural characteristics that make chlorophylls green: interplay of hydrocarbon skeleton and substituents", New Journal of Chemistry, 2011. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/nj/c0nj00652a/

Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

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