Se un pianeta ha un sacco di metano nella sua atmosfera, la vita è la causa più probabile

Se un pianeta ha un sacco di metano nella sua atmosfera, la vita è la causa più probabile

Il potentissimo James Webb Space Telescope lancerà presto. Una volta dispiegato, e in posizione alla Terra-Sun Lagrange Point 2, inizierà a funzionare. Uno dei suoi compiti è quello di esaminare le atmosfere degli esopianeti e cercare le biografie. Dovrebbe essere semplice, giusto? Basta scansionare l’atmosfera fino a trovare l’ossigeno, poi chiudere il computer portatile e dirigersi verso il pub: Fanfara, coriandoli, premio Nobel.

Naturalmente, i lettori di Universo Oggi sanno che è più complicato di così. Molto più complicato.

Infatti, la presenza di ossigeno non è necessariamente affidabile. È il metano che può inviare un segnale più forte che indica la presenza di vita.

L’ossigeno potrebbe sembrare la cosa più ovvia da cercare nell’atmosfera di un pianeta quando si cercano segni di vita, ma non è così. La sua presenza o la sua mancanza non è un indicatore affidabile. La storia della Terra lo rende chiaro.

L’atmosfera della Terra moderna contiene circa il 21% di ossigeno, e sappiamo che la maggior parte di esso proviene da organismi presenti negli oceani del pianeta. Ma c’è un intoppo: una volta che i cianobatteri dell’antica Terra hanno iniziato a produrre ossigeno come sottoprodotto della fotosintesi, ci è voluto ancora molto tempo prima che l’atmosfera si ossigenasse, forse un miliardo di anni.

E se esaminassimo un esopianeta, non trovassimo ossigeno, e poi andassimo avanti, senza renderci conto che c’era vita laggiù, all’inizio dell’ossigenazione di quel mondo? E se fossimo arrivati un miliardo di anni prima e la vita non avesse ancora ossigenato l’atmosfera dell’esopianeta? I pianeti rocciosi hanno molti lavelli di ossigenoe l’ossigeno prodotto biologicamente non si sarebbe trovato libero nell’atmosfera fino a quando quei lavandini non si fossero saturati.

La concezione dell’artista della prima Terra dopo diversi grandi impatti di asteroidi, spostando il magma sulla superficie. Credito: Simone Marchi/SwRI

Questo è quello che è successo sulla Terra, ed è quello che ci aspettiamo possa accadere su altri mondi rocciosi. Sulla Terra, l’attività geologica fa zampillare il magma dal mantello sulla crosta. Gran parte del materiale del mantello, come il ferro, per esempio, si lega all’ossigeno atmosferico, tirandolo fuori dall’atmosfera.

Questo è uno dei motivi per cui gli scienziati planetari si concentrano su altre cose, come il metano (CH4). In un nuovo articolo, i ricercatori hanno esaminato il potenziale del metano per segnalare l’attività biologica. Dicono che il metano in abbondanza nell’atmosfera di un pianeta è improbabile che provenga dai vulcani e molto probabilmente ha un’origine biologica.

Il titolo del giornale è “L’abbondante metano atmosferico proveniente dal vulcanismo sui pianeti terrestri è improbabile e rafforza il caso del metano come biofirma.” L’autore principale è Nicholas Wogan del Dipartimento di Scienze della Terra e dello Spazio dell’Università di Washington e dell’Università di Washington. Laboratorio Planetario Virtuale presso l’Università di W. L’articolo è pubblicato su The Planetary Science Journal.

Rilevare potenziali biofirme come il metano nelle atmosfere di esopianeti lontani è difficile. Ma una volta che qualcosa come il metano viene rilevato, ci aspetta un lavoro più duro. La sua presenza deve essere indagata nel contesto del pianeta stesso.

In mostra con il suo specchio primario completamente dispiegato, il James Webb Space Telescope della NASA è il più grande e tecnicamente complesso telescopio spaziale che la NASA abbia mai costruito. Un giorno, si spera presto, verrà finalmente lanciato. Credito: NASA/Chris Gunn
In mostra con il suo specchio primario completamente dispiegato, il James Webb Space Telescope della NASA è il più grande e tecnicamente complesso telescopio spaziale che la NASA abbia mai costruito. Un giorno, si spera presto, verrà finalmente lanciato. Credito: NASA/Chris Gunn

I ricercatori di biofirma non hanno aspettato inutilmente il lancio del telescopio spaziale James Webb. Hanno riflettuto molto sul rilevamento delle biofirme con il telescopio. Gli scienziati hanno proposto che le atmosfere planetarie con abbondante metano e anidride carbonica in disequilibrio potrebbero essere una forte biosignatura. Nel loro lavoro, gli autori sottolineano che “…pochi studi hanno esplorato la possibilità di CH4 e CO2 non biologiche e relativi indizi contestuali”. In questo caso, nonbiologico significa vulcani.

Il trio di ricercatori ha studiato i falsi positivi vulcanici alla biofirma CH4+CO2 su due tipi di pianeti: uno con solo degassamento vulcanico sottomarino, un mondo acquatico, e un altro come la Terra, sia con degassamento sottomarino che subaereo. Questa figura dello studio mostra alcuni dei parametri utilizzati nei modelli. Immagine di credito: Wogan et al, 2020.
Il trio di ricercatori ha studiato i falsi positivi vulcanici alla biofirma CH4+CO2 su due tipi di pianeti: uno con solo degassamento vulcanico sottomarino, un mondo acquatico, e un altro come la Terra, sia con degassamento sottomarino che subaereo. Questa figura dello studio mostra alcuni dei parametri utilizzati nei modelli. Immagine di credito: Wogan et al, 2020.

Gli autori volevano utilizzare un modello termodinamico per indagare se il degassamento da magma vulcanico su pianeti simili alla Terra potesse mettere CH4 e le emissioni di CO2 nell’atmosfera. In sostanza, hanno scoperto che è improbabile che i vulcani producano le stesse quantità di metano che le fonti biologiche potrebbero produrre. Non è impossibile, solo improbabile.

Questo è dovuto in gran parte al fatto che all’idrogeno piace stare nel magma. H2O è altamente solubile nel magma, limitando la quantità di H che viene degassata e di conseguenza limita la quantità di CH4 presente nell’atmosfera di un pianeta. Un’altra ragione è che il CH4 stesso richiede che il magma a bassa temperatura sia degassato, mentre la maggior parte del magma terrestre è a temperatura più elevata.

Una figura dello studio.  (a) e (b) mostrano una produzione di metano normalizzata per un mondo oceanico e un mondo simile alla Terra. (c) e (c) mostrano la produzione di metano moltiplicata per il tasso di produzione di magma della Terra. Per il tasso di produzione del magma terrestre moderno, i vulcani sono suscettibili di produrre un CH4 trascurabile, il che rafforza il caso del metano come biofirma. Credito immagine: Wogan et al, 2020
Una figura dello studio. (a) e (b) mostrano una produzione di metano normalizzata per un mondo oceanico e un mondo simile alla Terra. (c) e (c) mostrano la produzione di metano moltiplicata per il tasso di produzione di magma della Terra. Per il tasso di produzione di magma della Terra moderna, i vulcani sono suscettibili di produrre una produzione trascurabile di CH4che rafforza il caso del metano come biofirma. Credito immagine: Wogan et al, 2020

In quei casi improbabili in cui il vulcanismo potrebbe produrre grandi quantità di metano, secondo gli autori, produrrebbe anche anidride carbonica. L’antica Terra arcaica era molto più attiva dal punto di vista vulcanico rispetto alla Terra moderna. Durante l’Eon arcaico, il flusso di calore della Terra era fino a tre volte superiore a quello attuale. Secondo lo studio, avrebbe potuto produrre 25 volte più magma della Terra moderna e molto più metano. Ma la stessa attività che produceva tutto quel metano avrebbe prodotto anche molta più anidride carbonica. Questo, sottolineano gli autori, è un falso positivo rilevabile. Ma se si rileva un’abbondanza di metano senza quantità di CO2allora questa è una biofirma più affidabile.

Un’illustrazione d’artista della prima Terra arcaica, quando il pianeta era molto più attivo dal punto di vista vulcanico. Image Credit: By Tim Bertelink – Lavoro proprio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57273984

Gli autori affermano che sarebbe difficile spiegare il rilevamento del metano e dell’anidride carbonica senza ricorrere a fonti biologiche, almeno per i pianeti simili alla Terra. Essi hanno anche concluso che una piccola o trascurabile quantità di monossido di carbonio rilevato in un’atmosfera rafforza il CH4+CO2 biofirma perché “…la vita consuma facilmente la CO atmosferica, mentre riduce i gas vulcanici che probabilmente causano l’accumulo di CO nell’atmosfera di un pianeta”.

I ricercatori concludono con una nota di prudenza, sottolineando che questo lavoro si basa tutto su ciò che sappiamo della Terra e degli altri pianeti del nostro Sistema Solare. Non è chiaro fino a che punto tale conoscenza possa essere estesa a migliaia di esopianeti diversi.

“Queste conclusioni vanno prese con cautela perché si basano su ciò che si intende per processi che avvengono sulla Terra e sul nostro Sistema Solare, che può essere un campionamento molto scarso di ciò che è possibile”, scrivono.

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