Dove nasce l’acqua: viaggio nelle atmosfere dei mondi lontani

L’acqua è una molecola essenziale per la vita sul nostro pianeta ed è quindi lecito aspettarsi che la sua ricerca su altri mondi sia uno degli obiettivi principali dell’astrofisica moderna. Eppure, da sola l’acqua non basta come indicatore di potenziale abitabilità. 

Questo perché è una molecola molto comune nell’universo: la troviamo sia in fase gassosa sia solida negli ambienti astrofisici più disparati, dalle fredde nubi di gas che formano stelle e pianeti fino alle atmosfere più calde degli esopianeti giganti gassosi.

Solo alle temperature più estreme, superiori ai 3000 gradi, le collisioni tra molecole di vapore acqueo sono così energetiche da dissociare la molecola.

È proprio per questa sua presenza diffusa nell’universo che l’acqua gioca un ruolo fondamentale nella ricerca astrofisica. Per studiarla, utilizziamo la spettroscopia, una tecnica che consiste nello scomporre la luce (tipicamente quella infrarossa non visibile all’occhio umano) nei suoi diversi “colori”. Analizzando come questi vengono modificati dalla presenza di un gas, è possibile identificare specifiche componenti chimiche, misurarne l’abbondanza e ricavare informazioni sulle condizioni fisiche in cui si trovano, come temperatura e pressione.

Nel campo degli esopianeti, un laboratorio naturale particolarmente utile è rappresentato dai giganti gassosi caldi. Questi pianeti si sono formati a distanze dalla loro stella simili a quelle di Giove o Saturno dal sole, ma hanno poi subito processi rapidi di migrazione che li hanno portati su orbite molto strette, fino a un decimo della distanza tra il Sole e Mercurio. Le loro atmosfere quindi superano facilmente i 1500 gradi e, nel caso dei cosiddetti gassosi ultra-caldi, raggiungono oltre 3000 gradi.

Questi giganti gassosi comunque conservano sostanzialmente inalterata l’atmosfera delle loro origini. Questo è un vantaggio importante perché studiando oggi la sua composizione possiamo ricostruire l'ambiente in cui si sono formati. In particolare, l’attenzione si concentra su due molecole chiave: una è proprio l’acqua, l’altra è il monossido di carbonio (CO). Entrambe consentono di misurare il rapporto tra carbonio e ossigeno. 

Perché ci interessa? Perché questo rapporto chimico contiene indizi preziosi sulla distanza dalla stella nel momento in cui il pianeta si è originariamente formato e sugli eventuali processi che ne hanno accompagnato la migrazione.

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È una misura tutt’altro che semplice. La luce proveniente dall’esopianeta rappresenta solo una frazione piccolissima, un millesimo o decimillesimo della luce totale rilevata. Per questo è necessario usare i più grandi telescopi disponibili (come il telescopio spaziale James Webb da 6,5 metri di diametro o il Very Large Telescope da 8,2 metri nel deserto cileno di Atacama), e applicare ulteriori “trucchi” per separare il segnale dell’acqua che arriva dall’esopianeta da possibili contaminanti. 

Le osservazioni più efficaci riguardano i cosiddetti pianeti “transitanti”, cioè quelli che, dal nostro punto di osservazione, passano davanti alla loro stella. Durante il transito, una parte della luce stellare filtra attraverso l’atmosfera del pianeta e ne rivela la composizione (spettroscopia di trasmissione). Quando invece il pianeta passa dietro la stella, si confronta la luce osservata prima e dopo l’occultazione per separare il segnale del pianeta da quello della stella (spettroscopia di emissione).

Queste misure non servono solo a capire come si formano i pianeti giganti. Rappresentano anche una prova generale per la nuova generazione di strumenti come l’Extremely Large Telescope, un gigante di 39 metri di diametro che l’Europa sta costruendo non lontano dal Very Large Telescope. 

Con strumenti di questo tipo sarà possibile studiare il vapore acqueo anche in pianeti più piccoli e più temperati, avvicinandosi quindi a condizioni fisiche più simili a quelle del nostro pianeta.