Nel profondo del pianeta Terra, c’è un nucleo esterno liquido e un nucleo interno solido che ruotano l’uno contro l’altro. Questo crea l’effetto dinamo che è responsabile della generazione del campo magnetico planetario della Terra. Conosciuto anche come magnetosferaquesto campo mantiene il nostro clima stabile impedendo che l’atmosfera terrestre si perda nello spazio. Così, quando si studiano gli esopianeti rocciosi, gli scienziati si chiedono naturalmente se anch’essi hanno magnetosfere.

Purtroppo, finché non possiamo misurare i campi magnetici di un esopianeta, siamo costretti a dedurre la loro esistenza dalle prove disponibili. Questo è precisamente ciò che i ricercatori del Sandia National Laboratories ha fatto con il suo Z Pulsed Power Facility (PPF). Insieme ai loro partner del Carnegie Institution for Science, sono stati in grado di replicare le pressioni gravitazionali delle “Super-Terre” per vedere se potevano generare campi magnetici.

Il team di ricerca è stato guidato da Yingwei Fei, un geochimico del Carnegie’s Laboratorio Terra e Pianeti (EPL), e Christopher T. Seagle, un borsista postdoc e manager presso i Sandia National Laboratories (SNL). È stato affiancato da diversi ricercatori dell’EPL e del SNL. I loro risultati sono stati presentati in uno studio che è stato recentemente pubblicato in Nature Communications.

Quando si tratta di valutare l’abitabilità dei pianeti, gli scienziati sono costretti ad adottare il cosiddetto approccio “low hanging fruit”. Questo 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 all’interno della zona abitabile (HZ) della sua stella madre.

I pianeti che orbitano all’interno di questa zona avranno temperature abbastanza calde da mantenere acqua liquida sulla loro superficie. Tuttavia, come gli scienziati hanno notato negli ultimi anni, l’attività geologica è anche un fattore importante nel mantenere l’abitabilità della Terra. Come Richard Carlson, direttore del Laboratorio Terra e Pianeti, ha spiegato in un Carnegie Science comunicato stampa:

“Anche se le osservazioni della composizione atmosferica di un esopianeta saranno il primo modo per cercare le firme della 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 entra in gioco la lunga esperienza dei ricercatori del Carnegie nelle proprietà dei materiali rocciosi sotto temperature e pressioni estreme”.

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, 1340 sono stati identificati come pianeti rocciosi che hanno una massa molte volte superiore a quella della Terra e dimensioni fino a 8 volte superiori – da qui la denominazione di “Super-Terra”.

“La capacità di effettuare queste misurazioni è fondamentale per sviluppare modelli affidabili della struttura interna delle 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 davanti 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 del Sandia e co-autore del documento in un recente SNL comunicato stampa. In altre parole, questi esotici e massicci pianeti rocciosi sono in grado di sostenere la vita come noi la conosciamo?

Situato nel cuore dei Sandia National Laboratories di Albuquerque, New Mexico, lo Z PPF si basa su strumenti speciali – come l’apparato multi-anvil, il cilindro a pistone e la cella a incudine di diamante – per simulare le condizioni di alta pressione e temperatura all’interno di un pianeta. Così facendo, sono in grado di misurare le proprietà fisiche degli esopianeti e imitare i loro ambienti gravitazionali.

Per il loro studio, il team Carnegie/SNL ha replicato le pressioni gravitazionali delle “Super-Terre” applicando l’equivalente di enormi pressioni gravitazionali alla bridgmanite (alias magnesio-silicato) in modo quasi istantaneo. Questo minerale è il materiale più abbondante all’interno dei pianeti rocciosi ed è stato usato per simulare il materiale del mantello di una super-Terra.

Sottoponendo la bridgmanite alle 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 certi scenari evolutivi termici, i pianeti massicci rocciosi potrebbero sviluppare una geodinamo guidata dal calore all’inizio della loro evoluzione. Tuttavia, questo effetto dinamo potrebbe 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 di creare 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 ha spiegato tramite il comunicato di SNL:

“Per costruire modelli che ci permettano di capire le dinamiche interne e la struttura delle super-Terre, dobbiamo essere in grado di prendere 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 scontrarci con delle limitazioni quando si trattava di creare queste condizioni in laboratorio”.

“Z ha fornito alla nostra collaborazione uno strumento unico che nessun’altra tecnica può eguagliare, per noi per esplorare le condizioni estreme degli interni delle super-Terre”, ha ha aggiunto, tramite il comunicato 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 delle super-Terre, il team ha anche prodotto una lista di sette pianeti possibilmente degni 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, ha detto:

“Questi pianeti, che abbiamo trovato più probabile per sostenere la vita, sono stati selezionati per ulteriori studi perché hanno rapporti simili alla Terra nei loro ferro, silicati e gas volatili, oltre a temperature interne favorevoli al mantenimento di campi magnetici per la protezione contro il vento solare”.

Le super-Terre sono diventate un punto focale di interesse perché la loro maggiore dimensione e massa significa che esercitano grandi pressioni gravitazionali. Di conseguenza, è probabile che questi pianeti mantengano le loro atmosfere per periodi di tempo più lunghi, assicurando che la vita abbia maggiori possibilità di emergere ed evolvere verso uno stato di maggiore complessità.

La loro massa considerevole significa anche che le condizioni di pressione e temperatura nei loro interni hanno maggiori probabilità di dar luogo a 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 raffreddato rapidamente, ha perso il suo campo magnetico e la sua atmosfera è stata successivamente strappata via”.

Non è un segreto che il campo della ricerca sugli esopianeti è cresciuto a passi da gigante negli ultimi decenni. Nei prossimi anni, gli strumenti di nuova generazione andranno nello spazio o diventeranno operativi qui sulla Terra. In previsione di questo, gli scienziati stanno lavorando diligentemente per sviluppare i modelli, i metodi e le strutture che permetteranno una caratterizzazione più rapida.

Non solo questi diranno agli astronomi dove devono cercare, ma aiuteranno anche gli astronomi a riconoscere le firme rivelatrici che potrebbero indicare la presenza di vita (aka. biosignatures). La ricerca della vita oltre la Terra è stata dura e continua finora, e probabilmente lo sarà sempre. Ma sta anche per diventare molto più eccitante, e presto!

Ulteriori letture: SNL, Scienza Carnegie, Comunicazioni sulla natura