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Riprodotti i cristalli organici dell’atmosfera di Titano

La superficiela della luna di Saturno, Titano, ai bordi dei suoi laghi di idrocarburi potrebbe essere ricoperta da cristalli mai visti sulla Terra. Si tratta di ‘minerali molecolari’, cioè strutture che si comportano come minerali ma sono fatte di molecole organiche. È quanto emerge dal congresso di Astrobiologia in corso negli Stati Uniti,  a Seattle, dove il gruppo del Jet Propulsion Laboratory (Jpl) della Nasa coordinato da Morgan L Cable ha presentato i risultati ottenuti ricostruendo in laboratorio le condizioni della luna di Saturno.

I ricercatori hanno ottenuto cristalli fatti di acetilene e butano, due composti organici prodotti nell’atmosfera di Titano che poi precipitano in superficie sotto forma di pioggia di idrocarburi.

In base agli esperimenti compiuti al Jpl questi cristalli formano strutture ad anello attorno ai laghi di metano di Titano. In precedenza, lo stesso gruppo aveva osservato, sempre in laboratorio, la formazione di altri due tipi di minerali fatti da molecole organiche, formati però da benzene con etano, e da acetilene insieme ad ammoniaca.

“Avevamo già dimostrato che alcune molecole organiche, in condizioni di laboratorio analoghe a quelle di Titano, formano questi tipi di cristalli”, hanno spiegato i ricercatori del Jpl. “Ma quelli di acetilene e butano potrebbero essere i più comuni sulla luna di Saturno. La loro formazione è, infatti, favorita dalle rigide temperature di Titano, che toccano stabilmente i -180 gradi centigradi. Non sappiamo se questo paesaggio sia ciò che davvero vedremmo se fossimo su Titano, ma – hanno concluso – abbiamo tanti indizi promettenti, a partire dalle immagini della missione Cassini”, organizzata da Nasa, Agenzia Spaziale Europea (Esa) e Agenzia Spaziale Italiana (Asi), che il 14 settembre 2017 si è conclusa con uno spettacolare tuffo nell’atmosfera di Saturno.

Le condizioni di Titano

A causa della sua distanza dal Sole, Titano è molto più freddo della Terra. La sua temperatura superficiale è di circa 90 K (-179 ° C ). A queste temperature, l’acqua ghiacciata, se presente, non si scioglie, evapora o sublime, ma rimane solida. A causa del freddo estremo e anche a causa della mancanza di anidride carbonica (CO 2 ) nell’atmosfera, scienziati come Jonathan Lunine hanno visto Titano meno come un probabile habitat per la vita extraterrestre, piuttosto che un esperimento per esaminare ipotesi sulle condizioni prevalenti prima della comparsa della vita sulla Terra. 

Anche se la solita temperatura superficiale di Titano non è compatibile con l’acqua liquida, i calcoli di Lunine e altri suggeriscono che gli attacchi di meteoriti potrebbero creare occasionali “oasi di impatto” – i crateri in cui l’acqua liquida potrebbe persistere per centinaia di anni o più, il che consentirebbe acqua chimica organica basata. Tuttavia, Lunine non esclude la vita in un ambiente di metano ed etano liquido e ha scritto su quale scoperta di una tale forma di vita (anche se molto primitiva) implicherebbe la prevalenza della vita nell’universo.

titano
Le immagini qui sopra, scattate dallo strumento VIMS (Visual and Infrared Mapping Spectrometer) della sonda Cassini, mostrano Titano, la più grande delle lune di Saturno: unica nel Sistema Solare, ha una densa atmosfera e fiumi e laghi di metano. L’atmosfera di azoto nasconde all’osservazione diretta tutto ciò che vi è al di sotto, ma, grazie alla combinazione di dati acquisiti nei 10 anni della missione Cassini, la Nasa ha potuto elaborare molti dettagli della superficie. Il lavoro è consistito nel combinare i rilevamenti eseguiti all’infrarosso dal VIMS sotto una grande varietà di condizioni di luce: un compito lungo e complesso.
Comporre mosaici dalle riprese del VIMS è sempre stato difficile. Tutte le mappe finora realizzate sono condizionate sia nella risoluzione, sia per le condizioni di luce, e così la superficie di Titano è rimasta a lungo un puzzle non omogeneo. Il nuovo volto di Titano è di gran lunga il migliore disponibile (e lo sarà per molto tempo).
Dalle nuove immagini gli scienziati possono farsi un’idea più verosimile della superficie. Le aree più luminose, ad esempio, sono ricche di ghiaccio, mentre le tonalità marroni indicano presenza di dune. La ricchezza di sfumature rivela che la superficie è molto varia, e questo è certamente dovuto all’atmosfera che, come per la Terra, modella Titano con un suo sistema climatico.

Tempeste: Su Titano, ci sono violente tempeste di sabbia e metano. La scoperta grazie alle immagini della sonda Cassini. Lo studio fu guidato da Sébastien Rodriguez, dell’Università Paris Diderot. «Titano è una luna molto attiva», afferma Rodriguez. «Sapevamo già qualcosa della sua geologia e del suo esotico ciclo degli idrocarburi. Ora possiamo aggiungere un’altra analogia con la Terra e con Marte: il ciclo attivo delle polveri, in cui la sabbia può essere sollevata da grandi distese di dune intorno all’equatore di Titano.»

Dune sono state trovate anche su Plutone, ma Titano è l’unico mondo (oltre alla Terra) ad avere un ciclo dei liquidi, anche se ciò che da noi compie l’acqua, su Titano viene fatto dagli idrocarburi. Quindi sulla sua superficie possiamo trovare deserti, laghi e fiumi di metano ed etanolo.

Inoltre, Titano ha un clima stagionale. Attorno all’equinozio (quando il Sole batte a picco sull’equatore) si alzano tempeste di metano visibili dallo Spazio come macchie brillanti. Anche le tempeste di sabbia sono state all’inizio confuse con le già note tempeste di metano. Tuttavia questi fenomeni meteo sono troppo bassi perché siano tempeste di metano (che avvengono a 10 km di quota). Dopo aver escluso questa ed altre esotiche ipotesi (come pioggia di metano ghiacciata o addirittura lava ghiacciata), la scelta più “ovvia” è ricaduta su gigantesche tempeste di polvere sollevata da forti venti.

La polvere di queste tempeste si crea quando le molecole organiche, formate dall’interazione della luce solare con il metano, crescono talmente tanto da cadere sulla superficie. Qui si depositano in dune e vengono sparse per enormi distanze dai venti. Anche nelle zone aride della Terra un fronte di sabbia può precedere le tempeste. Non ci resta che aspettare che visitatori robotici si avventurino nella fitta atmosfera metanifera di questa luna alla ricerca di nuovi segreti da svelare.

I mari: Tra i più ambiziosi e visionari progetti della Nasa c’è quello di inviare, entro un paio di decenni, un robot sommergibile su Titano, che possa immergersi nei suoi mari di idrocarburi, analizzarne la composizione e rimandare immagini a Terra.

Di solito, quando si progettano le sonde spaziali, i ricercatori cercano di ricreare gli ambienti e le condizioni in cui queste si troveranno, in modo da testare i meccanismi di funzionamento, le eventuali criticità e i sistemi di rilevamento dei dati.

Ma mentre la realizzazione di analoghi di rocce marziane è piuttosto semplice (basta andare in un deserto per mettere alla prova i rover), in natura non c’è nulla che possa vagamente assomigliare ai laghi di etano e metano della luna di Saturno, la più promettente, per i cercatori di vita extraterrestre.

mari di titano
Un lago di idrocarburi su Titano: a parte la natura del liquido, ha diverse similitudini morfologiche con i laghi della Terra

 I componenti elettronici di qualunque sottomarino produrrebbero calore, che a sua volta genererebbe bolle di azoto attorno al robot. Così il team ha voluto testare l’entità di queste bolle e gli effetti sulla visuale del natante. Le immagini del liquido e del suo ciclo idrogeologico simulato (che ha prodotto anche precipitazioni di etano e metano) sono state acquisite con una telecamera e un boroscopio, un dispositivo per le ispezioni visive.

Tra le scoperte del team c’è il fatto che la presenza di azoto in questo mix di idrocarburi aiuta ad abbassare il punto di congelamento del liquido fino a -198 °C. Il sottomarino non dovrà quindi preoccuparsi di eventuali iceberg.

Atmosfera: Nell’atmosfera sono state rilevate molecole in grado di unirsi tra loro per dare origine agli elementi fondamentali della vita. La missione Cassini-Huygens, ormai vicina alla sua fine, ha realizzato una sorprendente scoperta che riguarda l’esistenza di particolari molecole all’interno dell’atmosfera di Titano, la nebbiosa luna di Saturno, che sarebbero fondamentali nella produzione di complessi composti organici.

La grande luna di Saturno possiede una spessa atmosfera composta di azoto e metano con una chimica tra le più articolate del sistema solare. Per molti astronomi assomiglia molto all’atmosfera primordiale della Terra, prima che si accumulasse ossigeno al suo interno. È come osservare il nostro pianeta quando aveva poche centinaia di milioni di anni. Per questo motivo la luna è vista come un gigantesco laboratorio che potrebbe aiutarci a capire come si è sviluppata la vita sulla Terra e forse anche su altri corpi del sistema solare.

Nell’alta atmosfera di Titano, l’azoto e il metano sono esposti all’azione della luce solare e alle particelle molto energetiche della magnetosfera di Saturno. Queste fonti di energia portano a far sì che si sviluppino reazioni chimiche tra l’azoto, l’idrogeno e il carbonio (carbonio e idrogeno sono le molecole che formano il metano, CH4), le quali portano alla formazione di composti prebiotici più complessi.

Le molecole che si formano, essendo pesanti, tendono a scendere verso le zone inferiori dell’atmosfera e creano un denso aerosol organico che a volte raggiunge la superficie stessa di Titano. Il processo della formazione delle molecole che vi abbiamo raccontato finora, però, è molto complesso e difficile da capire.

atmosfera di titano
I processi chimici che avvengono nell’atmosfera di Titano. Sono complessi e portano alle molecole base per la vita

Ora la sonda Cassini ha scoperto, sorprendentemente, l’esistenza di molecole con carica negativa (ossia con un surplus di elettroni) all’interno dell’aerosol. La sorpresa sta nel fatto che gli scienziati non si aspettavano di trovarle perché le molecole con cariche negative – chiamate anioni – sono fortemente reattive e quindi non dovrebbero resistere a lungo nell’atmosfera, ma reagire immediatamente con altre molecole ad originare nuove sostanze. Se sono state osservate e rilevate significa che sono molto, ma molto abbondanti.

Nello studio appena pubblicato su Astrophysical Journal Letters, un gruppo di ricercatori ha identificato alcune molecole caricate negativamente note come “anioni di catene carboniose”, che stando a quanto noto finora, sono alla base di molecole molto più complesse che, sulla Terra, devono aver reagito con altre sostanze ancora per dare origine alle prime forme di vita.

È interessante il fatto che le catene di carbonio diminuiscono vicino alla superficie della luna, mentre nell’aerosol sono molto abbondanti a significare che è nell’aerosol la fornace di molecole organiche più grandi. In altre parole si può affermare che è al suo interno dove il mix tra gli atomi di azoto, carbonio e idrogeno, sottoposti a forti dosi di energia, si uniscono a formare molecole molto complesse.

«È la prima volta che si è riusciti a identificare catene di anioni carboniosi in un’atmosfera simile a quella di alcuni pianeti e quelle molecole sono vitali nella creazione di molecole organiche più grandi e più complesse. Fino ad oggi si erano visti processi del genere nel “mezzo interstellare” (ossia nel vuoto tra una stella e l’altra), ma ora li abbiamo osservati anche in un ambiente completamente differente e questo suggerisce che il processo potrebbe essere un universale per la costruzione di molecole organiche complesse», spiega Ravi Desai dell’University College di Londra.

Ora ci si chiede se ciò possa avvenire anche in altri ambienti ricchi di azoto e metano, come quelli che ci sono su Plutone, Tritone o su pianeti extrasolari. La risposta potrebbe arrivare dalle future missioni spaziali, come dal telescopio Webb, in grado di analizzare le atmosfere di alcuni pianeti oltre il nostro sistema solare, a missioni specifiche per lo studio di tali pianeti.

Le rilevazioni sono state effettuate dallo spettrometro di Cassini chiamato CAPS, quando la sonda passò tra i 900 e i 1.300 chilometri al di sopra della superficie di Titano.

Vita su Titano?

Se c’è vita su Titano  è attualmente una questione aperta e un argomento di valutazione e ricerca scientifica. Il titano è molto più freddo della Terra, e la sua superficie è priva di acqua liquida stabile , fattori che hanno portato alcuni scienziati a considerare la vita là improbabile. D’altra parte, la sua spessa atmosfera è chimicamente attiva e ricca di composti di carbonio. Sulla superficie ci sono corpi di metano liquido ed etano , ed è probabile che ci sia uno strato di acqua liquida sotto il suo guscio di ghiaccio; alcuni scienziati ipotizzano che queste miscele liquide possano fornire una chimica prebiotica per cellule viventi diverse da quelle sulla Terra .

Nel giugno 2010, gli scienziati che hanno analizzato i dati della missione Cassini-Huygens hanno riportato anomalie nell’atmosfera vicino alla superficie che potrebbero essere coerenti con la presenza di organismi produttori di metano, ma in alternativa potrebbero essere dovute a processi chimici o meteorologici non viventi. La missione Cassini-Huygens non era attrezzata per cercare direttamente i microrganismi o per fornire un inventario completo di composti organici complessi.

Sebbene tutti gli esseri viventi sulla Terra (inclusi i metanogeni) utilizzino l’acqua liquida come solvente, è ipotizzabile che la vita su Titano possa invece utilizzare un idrocarburo liquido, come il metano o l’etano. L’acqua è un solvente più forte degli idrocarburi,  tuttavia, l’acqua è più chimicamente reattiva e può scomporre grandi molecole organiche attraverso l’ idrolisiUna forma di vita il cui solvente era un idrocarburo non avrebbe affrontato il rischio di distruggere le sue biomolecole in questo modo. 

Titan sembra avere laghi di etano liquido o metano liquido sulla sua superficie, così come fiumi e mari, che alcuni modelli scientifici suggeriscono potrebbero supportare ipotetici fenomeni di vita non basata sull’acquaSi è ipotizzato che la vita possa esistere nel metano liquido e nell’etano che formano fiumi e laghi sulla superficie di Titano, proprio come gli organismi sulla Terra vivono nell’acqua. Tali ipotetiche creature prenderebbero H 2 al posto di O2 , reagirebbero con acetilene invece di glucosio e produrre metano invece di anidride carbonica. In confronto, alcuni metanogeni sulla Terra ottengono energia facendo reagire l’idrogeno con il biossido di carbonio, producendo metano e acqua.

laghi su titano
Laghi di idrocarburi su Titano ( immagine radar Cassini del 2006

Nel 2005, gli astrobiologi Chris McKay e Heather Smith hanno previsto che se la vita metanogenica consuma idrogeno atmosferico in un volume sufficiente, avrà un effetto misurabile sul rapporto di miscelazione nella troposfera di Titano. Gli effetti previsti includevano un livello di acetilene molto più basso di quanto altrimenti previsto, nonché una riduzione della concentrazione di idrogeno stesso. 

Le evidenze coerenti con queste previsioni sono state riportate nel giugno 2010 da Darrell Strobel della Johns Hopkins University , che ha analizzato le misurazioni della concentrazione di idrogeno nell’atmosfera superiore e inferiore. Strobel ha scoperto che la concentrazione di idrogeno nell’atmosfera superiore è molto più grande di vicino alla superficie che la fisica della diffusione porta all’idrogeno che scorre verso il basso ad una velocità di circa 10 25 molecole al secondo. Vicino alla superficie l’idrogeno che scorre verso il basso apparentemente scompare. Un altro documento pubblicato nello stesso mese ha mostrato livelli molto bassi di acetilene sulla superficie di Titano. 

Chris McKay accordo con Strobel che la presenza della vita, come suggerito nell’articolo di McKay del 2005, è una possibile spiegazione per i risultati circa idrogeno e acetilene, ma anche avvertito che altre spiegazioni sono attualmente più probabile: e cioè la possibilità che i risultati sono dovuti alla umana errore , a un processo meteorologico, o alla presenza di qualche catalizzatore minerale che consente all’idrogeno e all’acetilene di reagire chimicamente. Notò che un tale catalizzatore, uno efficace a -178 ° C (95 K), è attualmente sconosciuto e sarebbe di per sé una scoperta sorprendente, sebbene meno sorprendente della scoperta di una forma di vita extraterrestre. 

Le scoperte del giugno 2010 hanno suscitato un notevole interesse dei media, incluso un rapporto sul quotidiano britannico The Telegraph , che parlava di indizi sull’esistenza di “alieni primitivi”. 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Mckay, Chris (2010). “Abbiamo scoperto prove per la vita su Titano?” New Mexico State University , College of Arts and Sciences , Dipartimento di Astronomia Estratto il 15-05-2014 . 
  2. E. Lellouch; S. Vinatier; R. Moreno; M. Allen; S. Gulkis; P. Hartogh; J.-M. krieg; A. Maestrini; I. Mehdi; A. Coustenis (novembre 2010). “Il suono dell’atmosfera di Titano alle lunghezze d’onda submillimetriche da un’astronave orbitante”. Planetary and Space Science
  3. Brian Magee; J. Hunter Waite; Kathleen E. Mandt; Joseph Westlake; Jared Bell; David A. Gell (dicembre 2009). “Composizione derivata da INMS dell’atmosfera superiore di Titan: metodi di analisi e confronto tra modelli”. Planetary and Space Science
  4. J. Cui; RV Yelle; V. Vuitton; JH Waite Jr .; WT Kasprzak; DA Gell; HB Niemann; ICF Müller-Wodarg; N. Borggren; GG Fletcher; EL Patrick; E. Raaen; BA Magee (aprile 2009). “Analisi dell’atmosfera superiore neutra di Titano dalle misurazioni dello spettrometro di massa neutro a ioni di Cassini”. Icaro
  5. “Saturn’s Moon Titan: Prebiotic Laboratory” . Rivista di Astrobiologia. 11 agosto 2004 
  6. Natalia Artemieva; Jonathan Lunine (2003). “Cratering su Titan: impatto fusione, ejecta e il destino dei prodotti organici di superficie”. Icaro 480. 
  7. David P. O’Brien; Ralph Lorenz; Jonathan I. Lunine. “Calcoli numerici della longevità delle Oasi d’impatto su Titano” (PDF) . Istituto di scienza planetaria Estratto il 07/07/2015 .
  8. Comitato sui limiti della vita organica nei sistemi planetari, Comitato sulle origini e l’evoluzione della vita, Consiglio nazionale delle ricerche ; The National Academies Press, 2007; pagina 74
  9. Jonathan Lunine “Saturn’s Titan: A Strict Test for Life’s Cosmic Ubiquity” (accettato per la pubblicazione in Proceedings of the American Philosophical Society ), 21 luglio 2009 (Revised 7 novembre 2009)
  10. Sagan, Carl (1979). Broca’s Brain – the Romance of ScienceHodder e Stoughton. ISBN 978-0-340-24424-1. 

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