La Zona Galattica Abitabile

La quasi quotidiana scoperta di pianeti extrasolari pone il problena di dove guardare per trovarne di simili alla Terra [1] potenzialmente in grado di sostenere la vita. Per i sistemi planetari si parla di Zona Goldilocks o Circumstellar Habitable Zone  (CHZ) [2] ma è da supporre che analoghe considerazioni valgano anche le galassie.

 

lifeFondamentalmente lo sviluppo della Vita complessa richiede che almeno tre punti siano soddisfatti:

 

  1. La presenza di una fonte di energia costante per tempi cosmologici (oltre il miliardo di anni (\( 1\  G_{yr}\)).
  2. Elementi pesanti necessari a formare pianeti di tipo terrestre [3].
  3. Ambiente sufficientemente al riparo dalle radiazioni più nocive che potrebbe mettere a rischio ogni forma di vita e la sua formazione.

 

In base a questi vincoli si deduce che il confine interno di una Galactic Habitable Zone (GHZ) è delimitato dalle perturbazioni gravitazionali e radiativi del nucleo galattico che sono di ostacolo alle biosfere planetarie stabili, mentre il limite esterno è fissato dall’indice minimo di metallicità  1 necessario alla formazione dei pianeti [3]. Pertanto è evidente di come la GHZ sia vincolata dalla morfologia, evoluzione chimica ed età delle popolazioni stellari della galassia.

Una fonte di energia costante: le stelle

img_9186Una fonte costante e continua di energia sono le stelle durante la loro permanenza nella Sequenza Principale. Ma non tutte le stelle possono considerarsi adatte a sostenere la vita come la conosciamo. Le stelle più massicce hanno un ciclo vitale molto breve: dai 200 mila anni di una Wolf-Rayet con una massa superiore alle 20 \(M_{\odot}\) fino ai 3 \(G_y\) per le F0 (1,6 \(M_{\odot}\)).
Ma non è solo una questione di ciclo evolutivo: certi studi ampiamente discussi sul sito gemello [4] indicano una certa correlazione tra la massa stellare e la possibilità di possedere un sistema planetario. In pratica le stelle migliori ad ospitare un sistema sono stelle di massa inferiore a 1,5 -1,6 \(M_{\odot}\). Queste sono stelle di taglia medio-piccola e piccola che possono garantire almeno 4 \(G_y\) e oltre di permanenza nella Sequenza Principale e rappresentano almeno i 70 -75% delle stelle in una galassia alla stesso stadio evolutivo della nostra.

Il ruolo della metallicità delle stelle

La nebulosa “Occhio di Gatto” generata da una stella gigante tipo AGB.

La nebulosa “Occhio di Gatto” generata da una stella gigante tipo AGB.

La vita come la conosciamo è basata sull’esistenza di tanti elementi chimici più complessi dell’idrogeno ed elio, che gli astronomi chiamano per semplicità metalli, che vengono creati all’interno di stelle di grande massa e che vengono rilasciati nello spazio alla morte di queste con immani esplosioni di supernova e ipernova.  Senza questi metalli non possono formarsi i pianeti rocciosi, le atmosfere complesse, l’acqua e così via. Per comprendere meglio il ruolo dei metalli nella delimitazione di una GHZ è necessario partire dall’inizio della storia evolutiva delle galassie.
Tralasciando l’importante ruolo della materia non barionica 2 nella formazione delle galassie, dal collasso delle imponenti nubi di gas primordiale protogalattico composto unicamente da idrogeno e deuterio si formò una prima generazione di stelle: quelle più massicce si stabilirono presso il centro gravitazionale, mentre quelle più piccole (classe K e M [5]) andarono a creare quello che oggi chiamiamo alone, una regione pressappoco sferica di stelle a bassa metallicità (Popolazione II e III) che circonda le galassie [6].
Nel giro di appena un miliardo di anni invece, le stelle più massicce del centro galattico  si sarebbero convertite in supernovae espellendo i loro metalli che avrebbero arricchito il mezzo interstellare esterno al nucleo. Le onde d’urto avrebbero poi innescato una seconda ondata di formazione stellare; stelle un po’ più piccole ma ricche di metalli che avrebbero poi potuto possedere anche dei pianeti rocciosi (Popolazione I). Di fatto, questo meccanismo implica che la GHZ migri nel tempo da posizioni relativamente più vicine al nucleo a porzioni sempre più esterne del disco man mano che la disponibilità di metalli aumenta verso la periferia galattica [7] 3.
Comunque, anche se è vero che un certo tenore di metallicità indica la presenza di elementi chimici complessi necessari alla formazione dei pianeti rocciosi, alcuni studi statistici sui pianeti extrasolari scoperti mostrano che esiste una pericolosa correlazione tra la presenza di grandi pianeti massicci in orbita stretta e l’alto tasso di metallicità riscontrato nella loro stella ospite [8] [9].  Questo curioso aspetto potrebbe escludere la presenza di pianeti più simili alla Terra che si trovano all’interno della loro CHZ e di fatto escludere dalla GHZ anche i pianeti in orbita a stelle con una metallicità elevata.
Pertanto già basandosi solo sull’indice di metallicità stellare si può abbozzare una prima stima dimensionale di una GHZ; un valore eccessivo potrebbe impedire la formazione di pianeti di taglia terrestre nella zona Goldilocks della stella ospite quanto una scarsa metallicità potrebbe impedirne proprio l’esistenza!

L’inabitabilità del nucleo galattico

Lo sconvolgente panorama del cielo visto su un pianeta immerso nel nucleo galattico.

Lo sconvolgente panorama del cielo visto su un pianeta immerso nel nucleo galattico.

Deve esserci una vista magnifica verso il Centro Galattico. Mille e mille stelle di ogni colore e taglia renderebbero un qualsiasi pianeta perennemente immerso in un perenne crepuscolo senza fine, intervallato da una fonte di luce più accecante proveniente dalla sua stella. Peccato che un pianeta simile possa essere tanto ostile alla vita umana e, probabilmente, ad ogni altra.
Sulla Terra il campo geomagnetico contro i raggi cosmici prima, e l’efficace scudo di ozono contro i raggi ultravioletti poi, hanno permesso alle primitive forme di vita acquatiche di  ergersi sulla terraferma.

\(O_3 +X \rightarrow XO + \ O_2 \ (dove \ X \ sta \ per \ O, \ NO, \ OH, \ Br \ e \ Cl) \)

L’ozono è una molecola triatomica dell’ossigeno altamente instabile perché cede facilmente il suo terzo atomo ad altri atomi come azoto, idrogeno, bromo e cloro. Alcuni di questi elementi sono già presenti nella stratosfera (azoto,ossigeno e idrogeno) o rilasciati dai vulcani, dal vapore acqueo e dagli oceani. La fotodissociazione indotta dalle radiazioni nell’alta atmosferica  scinde le molecole dei gas in singoli atomi molte volte più reattivi

  • N 2 -> 2N
  • O 2 -> 2O
  • CO 2 -> C + 2O
  • H 2 O -> 2H + O
  • 2NH 3 -> 3H 2 + N 2

finendo per  produrre:

  • NO 2 (consuma fino a 400 molecole di ozono)
  • CH 2
  • CH 4
  • CO 2

Ma un pianeta immerso nel nucleo galattico subirebbe un bombardamento di raggi cosmici che neanche l’azione combinata dell’eliosfera della sua stella e del campo magnetico planetario potrebbero fermare. Un tasso di radiazione appena 100 volte superiore a quello che mediamente investe la Terra 4 è sufficiente affinché la produzione naturale di monossido di azoto nella troposfera impedisca la formazione di uno strato di ozono stabile.
Il monossido di azoto quindi reagisce con altri atomi di ossigeno liberi trasformandosi nel micidiale diossido di azoto, un micidiale gas rossastro che tende a depositarsi al suolo. Qui il diossido di azoto è libero di convertirsi in acido nitrico e altri nitrati rendendo inospitali alla vita sia la superficie solida del pianeta che gli eventuali oceani [10].
Un flusso altrettanto simile di radiazioni può essere provocato dalle esplosioni di supernova di tipo II [11] entro un raggio di 10 pc dal pianeta [12], che presso i nuclei galattici sono statisticamente superiori che nel resto della galassia. Per questo nello stabilire una GHZ coerente occorre tener conto del rischio che eventuali esplosioni di supernova e RGB possano sterilizzare un pianeta che giace entro un raggio ben più grande del nucleo galattico.

Finora non sappiamo se la vita ha origine da materiali e reazioni chimiche che avvengono sul pianeta o sono frutto di una sequenza molto più antica che inizia già nello spazio interstellare (molte recenti scoperte spingono verso questa seconda ipotesi [13]). Ma le stesse radiazioni ionizzanti che possono sterilizzare un pianeta possono benissimo distruggere i composti organici nelle comete e non solo.
Studiando le orbite dei resti della formazione stellare 5 (che per il Sole chiamiamo Nube di Oort) appare subito evidente che tanto più un sistema planetario si avvicina al nucleo galattico tanto più il pozzo gravitazionale di questo influenza e distorce le orbite dei resti cometari fino a disperderli o a farli precipitare verso il sistema planetario interno [14]. Anche in questo caso i pianeti interni sarebbero continuamente sterilizzati dall’incessante bombardamento cometario a cui sono costretti.

Conclusioni

Naturalmente il concetto di GHZ fin qui espresso non è da considerarsi assoluto; possono esserci altre condizioni astrofisiche che qui non sono state prese in considerazione in grado di espandere o contrarre la zona galattica abitabile. Magari altre forme di vita potrebbero essere abbastanza tenaci da svilupparsi e prosperare anche in ambienti a noi ostili o comunque dove non ce lo aspetteremmo. Poi anche qui, nella periferia galattica esistono piccole stelle con un basso tenore di metalli e magari senza pianeti interessanti accanto a supergiganti capaci un giorno di sterilizzare altri mondi nel raggio di diversi parsec. Detta così quindi la GHZ può essere molto più frastagliata e meno definita della più nota Circumstellar Habitable Zone ma non per questo è meno intessante studiarla.

 

Note:

  1. In astronomia la metallicità indica la proporzione degli elementi chimici escluso l’idrogeno e l’elio nelle stelle e negli altri corpi celesti. Essa viene spesso espressa nella formaquicklatex.com-5fac7cc378b869ef5a907ab5673648f6_l3, che rappresenta il logaritmo del rapporto di abbondanza di ferro di una stella rispetto a quella del Sole. La formula per il logaritmo è espresso così: quicklatex.com-d96dbcee4a3155f1abb531fc1800e3a8_l3. Con questa formulazione, gli oggetti con una metallicità superiore al Sole ottengono un valore logaritmico positivo, mentre quelli con una metallicità inferiore hanno un valore negativo. Usando un logaritmo in base dieci, le stelle con un valore di \(+1\) hanno dieci volte la metallicità del Sole (\(10^1\)). Al contrario, quelli con un valore di \(-1\) avere un decimo (\(10^{-1}\)), mentre quelli con \(-2\) hanno un centesimo (\(10^{-2}\)) e così via.
  2. Personalmente odio il termine di Materia Oscura, preferisco chiamarla Materia non Barionica.
  3. Attualmente per la Via Lattea la GHZ è una regione anulare tra 7 e 9 kpc dal Centro Galattico (il Sole è circa 7,62 kpc da questo) ed è composto da stelle di età compresa fra i 4 e gli 8 miliardi di anni. circa il 75% di queste stelle sono più vecchie del Sole.
  4.   Il flusso di raggi cosmici che normalmente investe la Terra è di \(9 \times 10^4 \ ergs \cdot cm^{-2} \cdot yr^{-1}\).
  5. Ringrazio la dott.ssa Sabrina Masiero dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) per avermi portato a conoscenza anche di questo problema.
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Riferimenti:

  1. U. Genovese, "L'indice ESI (Earth Similarity Index) - Il Poliedrico", Il Poliedrico, 2014. http://goo.gl/kgCavI
  2. U. Genovese, "La zona riccioli d'oro - Il Poliedrico", Il Poliedrico, 2010. http://goo.gl/gnyLKr
  3. G. Gonzalez, D. Brownlee, and P. Ward, "The Galactic Habitable Zone I. Galactic Chemical Evolution", 2001. http://goo.gl/dYFao2
  4. . Umby, "Stelle e sistemi planetari", Progetto Drake, 2015. http://goo.gl/7waC7J
  5. U. Genovese, "Tabella spettrale estesa della sequenza principale di Morgan-Keenan - Il Poliedrico", Il Poliedricohttp://goo.gl/ccspTg
  6. T.C. Beers, N. Christlieb, J.E. Norris, M.S. Bessell, R. Wilhelm, C.A. Prieto, B. Yanny, C. Rockosi, H.J. Newberg, S. Rossi, and Y.S. Lee, "The Metallicity Distribution Function of the Halo of the Milky Way", 2005. http://goo.gl/EnxEGT
  7. C.H. Lineweaver, Y. Fenner, and B.K. Gibson, "The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way", 2004. http://goo.gl/yMLtCS
  8. N.C. Santos, G. Israelian, M. Mayor, R. Rebolo, and S. Udry, "Statistical properties of exoplanets - II. Metallicity, orbital parameters, and space velocities", Astronomy & Astrophysics, 2003. http://goo.gl/Zg9L6A
  9. C. Laws, G. Gonzalez, K.M. Walker, S. Tyagi, J. Dodsworth, K. Snider, and N.B. Suntzeff, "Parent Stars of Extrasolar Planets VII: New Abundance Analyses of 30 Systems", 2003. http://goo.gl/Xmwa8O
  10. D. Atri, and A.L. Melott, "Cosmic Rays and Terrestrial Life: A Brief Review", 2012. http://goo.gl/3uHfS8
  11. U. Genovese, "Scenari di collasso del nucleo stellare in base alla massa e alla metallicità - Il Poliedrico", Il Poliedricohttp://goo.gl/Fuu07j
  12. D.N.S.J. Ellis, "Could a nearby supernova explosion have caused a mass extinction?", 0. http://goo.gl/1yGBu8
  13. K.I. Öberg, V.V. Guzmán, K. Furuya, C. Qi, Y. Aikawa, S.M. Andrews, R. Loomis, and D.J. Wilner, "The comet-like composition of a protoplanetary disk as revealed by complex cyanides", Nature, 2015. http://goo.gl/paIV6U
  14. M. Masi, L. Secco, and G. Gonzalez, "Effects of the Planar Galactic Tides and Stellar Mass on Comet Cloud Dynamics", 2009. http://goo.gl/a4OajM

Sabrina Masiero

PhD in Astronomy, Department of Physics and Astronomy at University of Padova (Italy) and INAF-Astronomical Observatory, Padova. Project GAPS (Global Architecture of Planetary Systems) with HARPS-N@TNG, INAF-Padova Observatory and Fundacion Galileo Galilei (FGG)-Telescopio Nazionale Galileo (TNG), La Palma, Canary Islands (Spain).

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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