Sappiamo che la Terra ha un nucleo di ferro circondato da un mantello di roccia silicata e acqua (oceani) sulla sua superficie. La scienza ha utilizzato questo semplice modello di pianeta fino a oggi per studiare gli esopianeti, pianeti che orbitano attorno a un’altra stella al di fuori del nostro Sistema Solare. “Solo negli ultimi anni abbiamo iniziato a realizzare che i pianeti sono più complessi di quanto pensassimo”, afferma Caroline Dorn, professoressa di esopianeti presso l’ETH di Zurigo.
La maggior parte degli esopianeti conosciuti oggi si trova vicino alla propria stella. Ciò significa che includono principalmente mondi caldi di oceani di magma fuso che non si sono ancora raffreddati per formare un mantello solido di roccia silicata come la Terra. L’acqua si dissolve molto bene in questi oceani di magma, a differenza, ad esempio, dell’anidride carbonica, che degassa rapidamente e sale nell’atmosfera.
Il nucleo di ferro si trova sotto il mantello fuso di silicati. Quindi, come viene distribuita l’acqua tra i silicati e il ferro? Questo è esattamente ciò che Dorn ha studiato in collaborazione con Haiyang Luo e Jie Deng della Princeton University con l’aiuto di modelli di calcolo basati sulle leggi fondamentali della fisica. I ricercatori hanno presentato i loro risultati sulla rivista Nature Astronomy.
Zuppa di magma con acqua e ferro
Per spiegare i risultati, Dorn deve entrare nei dettagli: “il nucleo di ferro impiega tempo a svilupparsi. Una grande quota di ferro è inizialmente contenuta nella zuppa di magma calda sotto forma di goccioline“. L’acqua in questa zuppa si combina con queste goccioline di ferro e affonda con loro nel nucleo. “Le goccioline di ferro si comportano come un ascensore che viene trasportato verso il basso dall’acqua”, spiega Dorn.
Finora si sapeva che questo comportamento era il caso solo per pressioni moderate del tipo che prevalgono anche sulla Terra. Non si sapeva cosa accade nel caso di pianeti più grandi con condizioni interne di pressione più elevate. “Questo è uno dei risultati chiave del nostro studio“, afferma Dorn. “Quanto più grande è il pianeta e maggiore è la sua massa, tanto più l’acqua tende ad andare con le goccioline di ferro e a integrarsi nel nucleo. In determinate circostanze, il ferro può assorbire fino a 70 volte più acqua dei silicati. Tuttavia, a causa dell’enorme pressione al nucleo, l’acqua non assume più la forma di molecole di H2O, ma è presente in idrogeno e ossigeno”.
Grandi quantità di acqua si trovano anche all’interno della Terra
Questo studio è stato innescato da indagini sul contenuto di acqua della Terra, che hanno prodotto un risultato sorprendente quattro anni fa: gli oceani sulla superficie terrestre contengono solo una piccola frazione dell’acqua complessiva del nostro pianeta. Il contenuto di oltre l’80% degli oceani della Terra potrebbe essere nascosto al suo interno. Ciò è dimostrato da simulazioni che calcolano il comportamento dell’acqua in condizioni del tipo che erano prevalenti quando la Terra era giovane. Esperimenti e misurazioni sismologiche sono di conseguenza compatibili.
Le nuove scoperte riguardanti la distribuzione dell’acqua nei pianeti hanno conseguenze notevoli per l’interpretazione dei dati di osservazione astronomica. Utilizzando i loro telescopi nello spazio e sulla Terra, gli astronomi possono, in determinate condizioni, misurare il peso e le dimensioni di un esopianeta. Usano questi calcoli per elaborare diagrammi massa-raggio che consentono di trarre conclusioni sulla composizione del pianeta. Se nel farlo, come è stato il caso finora, si ignorano la solubilità e la distribuzione dell’acqua, il volume dell’acqua può essere drasticamente sottostimato fino a dieci volte. “I pianeti sono molto più ricchi di acqua di quanto si pensasse in precedenza”, afferma Dorn.
Comprendere la storia dell’evoluzione
La distribuzione dell’acqua è importante anche se vogliamo capire come si formano e si sviluppano i pianeti. L’acqua che è sprofondata nel nucleo rimane intrappolata lì per sempre. Tuttavia, l’acqua disciolta nell’oceano di magma del mantello può degassare e risalire in superficie durante il raffreddamento del mantello. “Quindi se troviamo acqua nell’atmosfera di un pianeta, probabilmente ce n’è molta di più al suo interno”, spiega Dorn.
Questo è ciò che il telescopio spaziale James Webb, che da due anni invia dati dallo spazio alla Terra, sta cercando di trovare. È in grado di rintracciare le molecole nell’atmosfera degli esopianeti. “Solo la composizione dell’atmosfera superiore degli esopianeti può essere misurata direttamente“, spiega la scienziata. “Il nostro gruppo desidera stabilire una connessione tra l’atmosfera e le profondità interne dei corpi celesti”.
I nuovi dati dell’esopianeta chiamato TOI-270d sono particolarmente interessanti. “Lì sono state raccolte prove dell’effettiva esistenza di tali interazioni tra l’oceano di magma al suo interno e l’atmosfera”, afferma Dorn, che è stata coinvolta nella pubblicazione corrispondente su TOI-270d. Il suo elenco di oggetti interessanti che desidera esaminare più da vicino include anche il pianeta K2-18b, che ha fatto notizia per la probabilità che ci sia vita su di esso.
I mondi d’acqua sostengono davvero la vita?
L’acqua è una delle precondizioni per lo sviluppo della vita. Si è a lungo speculato sulla potenziale abitabilità delle Super-Terre ricche di acqua, ovvero pianeti con una massa più volte maggiore della Terra e con una superficie coperta da un profondo oceano globale. Poi i calcoli hanno suggerito che troppa acqua potrebbe essere ostile alla vita. L’argomentazione era che in questi mondi d’acqua uno strato di ghiaccio esotico ad alta pressione avrebbe impedito lo scambio di sostanze vitali all’interfaccia tra l’oceano e il mantello del pianeta.
Il nuovo studio giunge ora a una conclusione diversa: è probabile che i pianeti con strati di acqua profonda siano un evento raro poiché la maggior parte dell’acqua sulle Super-Terre non si trova sulla superficie, come si è supposto finora, ma è intrappolata nel nucleo. Ciò porta gli scienziati a supporre che anche i pianeti con un contenuto d’acqua relativamente elevato potrebbero avere il potenziale per sviluppare condizioni abitabili simili a quelle della Terra. Come concludono Dorn e colleghi, il loro studio getta quindi una nuova luce sulla potenziale esistenza di mondi ricchi di acqua, che potrebbero sostenere la vita.
