Astrobiologie

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Astrobiologia este o știință care studiază originea, evoluția și distribuția formelor de viață în univers , încercând să afle dacă există forme de viață născute în afara planetei Pământ .

Astrobiologia implică un număr mare de cercetători din întreaga lume din diverse discipline: astronomie , biologie , științe ale pământului , matematică , științe și tehnologii ale telecomunicațiilor , dar și sociologie [1] și filosofie [2] . Uniunea Astronomică Internațională , care reunește toți astronomii profesioniști, are o secțiune dedicată astrobiologiei (Comisia F3 Astrobiologie [3] ) și există institute de astrobiologie la diferite instituții științifice, precum Institutul de Astrobiologie NASA [4] , Centrul de Astrobiologie [5] . Două reviste științifice internaționale se ocupă exclusiv de astrobiologie: Astrobiology [6] și International Journal of Astrobiology [7] . Mai multe asociații profesionale de cercetare reunesc oameni de știință care se ocupă de astrobiologie; principalele sunt The International Society for the Study of the Origin of Life - The International Astrobiology Society (ISSOL) [8] și European Astrobiology Network Association (EANA) [9] , care reunește companii de astrobiologie care își desfășoară activitatea în Europa. În Italia există câteva cursuri universitare de astrobiologie [10] [11] .

În trecut, această știință a fost numită și bioastronomie sau exobiologie ; astfel de nume sunt încă folosite de unii autori.

Istorie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Pluralitatea lumilor .

Ideea că viața poate exista în afara planetei Pământ este foarte veche. Deja în Grecia antică filosoful Democrit a susținut că, din moment ce totul din univers era făcut din atomi , iar viața însăși era făcută din atomi, atunci viața trebuia să existe în tot universul. Teoriile lui Democrit au fost susținute și de filosofii de mai târziu, precum Epicur și Lucretius , în timp ce au fost criticate de alții, în special de Aristotel , care a susținut imuabilitatea și perfecțiunea cerurilor compuse din eter , susținând în continuare că fiecare element (pământ, apă, aer și foc) tinde spre un singur centru de mișcare și, prin urmare, nu pot exista alte lumi în afară de a noastră. Viziunea aristotelică-ptolemeică a universului a devenit apoi ideea acceptată a creștinismului și nu a fost pusă la îndoială până la sfârșitul Evului Mediu și al Renașterii, când s- a răspândit teoria heliocentrică a lui Copernic . La sfârșitul secolului al XVI-lea, Giordano Bruno a afirmat existența unor lumi infinite, susținând că lucrarea lui Dumnezeu nu poate fi limitată la o singură lume din univers. În secolele următoare ideea pluralității lumilor a fost susținută de mulți filozofi și oameni de știință, precum Descartes , Huygens (care afirmă posibilitatea ca alte planete să găzduiască forme de viață [12] ), Fontenelle și Voltaire . Acesta din urmă a scris romanul Micromégas , care prezintă ființe din Sirius și Saturn și este considerat unul dintre primele exemple de science fiction [13] .

La sfârșitul secolului al XIX-lea, Schiaparelli a observat Marte și a descris structuri alungite pe care le-a definit în mod generic canale , dar considerate de unii astronomi ca fiind canale artificiale, opera unei civilizații inteligente. Un mare susținător al acestei ipoteze a fost Lowell , care a publicat multe despre aceasta și a descris pe larg aceste canale, răspândind ideea de lungă durată că Marte a fost locuit. [14] Abia în anii 1960 , cu primele misiuni spațiale pe Marte, noile fotografii și hărți ale sondelor Mariner au respins ipoteza canalelor și au descris planeta ca fiind aridă și deșertică. [15]

În secolul al XIX-lea, Darwin a introdus ideea evoluției vieții de la organisme simple la specii complexe, în timp ce în aceeași perioadă nașterea spectroscopiei a făcut posibilă descoperirea faptului că aceleași elemente chimice prezente pe Pământ sunt răspândite în univers, susținând ideea că planetele s-ar putea forma în jurul altor stele. În aceiași ani Pasteur a arătat că viața este generată doar din altă viață și nu din lucruri neînsuflețite.

Dezbaterea cu privire la originea vieții pe Pământ în anii următori a mers mai departe, ajungând la ipoteze extreme precum panspermia , care face ipoteza că formele de viață terestre s-au născut în altă parte și apoi au fost aduse pe planeta noastră, sub formă de spori împinși. către spațiul interestelar [16], așa cum au susținut Kelvin și Arrhenius , sau a fost adus voluntar pe Pământ prin nave spațiale [17] , așa cum au propus Crick și Orgel . Ipoteza panspermiei a fost negată de Haldane și Oparin , care au propus că viața a fost generată de o combinație de proprietăți chimice pornind de la molecule organice, fără a fi nevoie de intervenție externă. Experimentul realizat de Miller și Urey în 1953 a arătat că unii aminoacizi ar putea fi formați din molecule simple precum hidrogen, amoniac și metan. [18]

În secolul al XX-lea , invenția receptorilor radio și mai târziu a radiotelescopului a adus noi instrumente în căutarea vieții extraterestre. Deja în anii 1920 Marconi a încercat fără succes să preia semnale de pe Marte. Ulterior, Cocconi și Morrison au propus să caute semnale radio de la alte stele, ca dovadă a existenței civilizațiilor inteligente. [19] În 1961 Drake a dezvoltat o ecuație pentru a determina numărul de civilizații capabile să comunice. La scurt timp, s-au născut primele proiecte SETI pentru căutarea vieții extraterestre și în 1974 primul mesaj radio a fost transmis către alte civilizații, urmat de mesajele plasate pe sondele Pioneer și Voyager . Dyson a descris în schimb posibilitatea ca o civilizație evoluată să poată crea o sferă în jurul stelei sale pentru a-și folosi energia și a propus să caute semnale în infraroșu. [13]

În ultimele decenii, descoperirea exoplanetelor a condus la noi proiecte, care implică analiza spectroscopică a atmosferei acestor corpuri în căutarea oxigenului, a ozonului și a clorofilei. În sistemul solar, cercetările se concentrează pe Marte și pe sateliții lui Jupiter și Saturn, care pot adăposti forme de viață microscopice.

Substanțe esențiale pentru ființele vii și difuzarea lor în spațiu

Geneza elementelor chimice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Nucleosinteza primordială .

Se estimează că universul s-a format acum 13,8 miliarde de ani din ceea ce se numește în mod obișnuit Big Bang . Există două momente, care au avut loc după Big Bang, care sunt deosebit de interesante pentru formarea planetelor și pentru existența vieții. Primul este nucleosinteza primordială , imediat după Big Bang, care a creat elementele inițiale ale universului și care a continuat apoi în interiorul stelelor. A doua este formarea de structuri precum galaxii , stele și planete . Elementele chimice generate la începutul universului nostru erau heliu , hidrogen și, într-o mică măsură, litiu , distribuite în nori imensi de gaz. Sub acțiunea gravitației , chiar și în prezent, norii de gaz se prăbușesc asupra lor, încălzindu-se și dând naștere stelelor. În partea centrală a stelelor, nucleul, fuziunea nucleară are loc în care patru atomi de hidrogen se ciocnesc între ei pentru a forma heliu (arderea hidrogenului prin reacția proton-proton). La stelele cu o masă de cel puțin 0,4 mase solare , heliul miezului este ulterior transformat în carbon (reacție 3 alfa). Numai în cele mai masive stele ale Soarelui apare fuziunea elementelor mai grele, cu arderea carbonului și producerea ulterioară, arderea după ardere, a elementelor mai grele: oxigen , neon , siliciu ... Faza finală a nucleosintezei procesele reprezintă transformarea siliciului în fier. Deoarece topirea fierului este un proces endoterm, adică nu poate avea loc fără a necesita energie, reacțiile se opresc, steaua începe un colaps gravitațional care nu mai este echilibrat de presiunea gazului și explodează într-o supernovă . Elementele mai grele decât fierul se formează în timpul acestui tip de eveniment, prin captarea neutronilor , în care un flux de neutroni produs de explozie are impact asupra nucleelor, generând elementele lipsă. [20]

Elemente și molecule de importanță biologică

Elementele de bază ale vieții
Trecerea de la elemente chimice esențiale (H, C, N, O, P) la molecule biologice și de la forme de viață elementare la organisme.

Principalele elemente chimice care stau la baza vieții așa cum o cunoaștem sunt fosfor , oxigen, azot , carbon și hidrogen, cunoscute sub acronimul PONCH. Un rol important îl joacă și Sulful, ca sursă de procese energetice ale unor procese biologice. Dintre aceste elemente, carbonul este cel mai important și interesant pentru viață. Niciun element chimic nu este capabil să formeze la fel de mulți compuși ca și carbonul, nu numai ca număr, ci și ca varietate. O proprietate chimică a carbonului este capacitatea de a forma legături covalente prin punerea la dispoziție a celor patru electroni de valență , formând legături simple , duble sau triple . O altă proprietate importantă este capacitatea de a forma lanțuri de carbon de lungime variabilă, cu structuri liniare, ramificate sau inelare și care conțin legături duble sau chiar triple. Aceste lanțuri au o caracteristică importantă, nu se rup și nu reacționează ușor. Mai mult, deoarece legăturile pot fi poziționate într-un mod foarte diferit, se întâmplă adesea să existe molecule cu același număr de atomi, dar cu structuri diferite și proprietăți diferite. Aceste molecule se numesc izomeri și exemplele sunt glucoza și fructoza . [21]

Printre moleculele de mare importanță biologică formate din carbon se numără monozaharidele . Aceste molecule au o compoziție și o structură caracteristice: un lanț de carbon conținând trei până la șapte atomi de carbon; un atom de carbon care transportă gruparea carbonil (C = O); toți ceilalți atomi de carbon care leagă gruparea hidroxil (-OH). Monozaharidele diferă între ele pe baza numărului de atomi de carbon și a poziției grupării carbonil. Monozaharidele care au gruparea carbonil pe locul doi în lanț se numesc cetone , aldehide dacă se găsește la început. Monozaharidele pot veni sub două forme: liniare sau inelare . Forma inelului este mai stabilă în condițiile în care trăiesc celulele și, prin urmare, este întâlnită mai frecvent. Alți izomeri importanți diferă prin numărul de atomi de carbon. Hexozele constau din șase atomi, iar glucoza este un exemplu în acest sens. Dacă lanțurile sunt formate din cinci atomi de carbon, acestea se numesc pentoze ; două dintre ele, riboză și dezoxiriboză, formează schela pentru acizii nucleici ai ARN și ADN . Zaharurile naturale au o configurație dextrorotatoare . [21]

Un alt grup de molecule care joacă un rol fundamental sunt aminoacizii . La baza proteinelor, aminoacizii sunt compuși dintr-o grupare amino (- ) și de o grupare carboxilică (-COOH) legată de un atom de carbon într- o configurație stângaci și de un lanț lateral, numit grup radical (grup R). Grupul R conține grupuri funcționale importante de care depind atât structura tridimensională, cât și proprietățile chimice specifice ale aminoacizilor. În natură, pot fi recunoscuți aproximativ douăzeci de aminoacizi utilizați pentru sinteza proteinelor de către celule. [21]

Alte biomolecule care stau la baza vieții sunt lipidele . Există diferite clase de lipide, dar toate împărtășesc caracteristica de a fi hidrofob . Grăsimile pot fi saturate , dacă au doar legături simple între atomii de carbon, sau nesaturate , dacă conțin una sau mai multe legături duble ( polinesaturate ). Când trei acizi grași se leagă de o moleculă de glicerol printr-o legătură esterică (CO), se formează o trigliceridă , care are funcția de a stoca energia. Când unul dintre acizii grași este înlocuit de un compus format dintr-o grupare fosfat , se formează un fosfolipid . În fosfolipide, grupul funcțional fosfat are o sarcină negativă, deci această parte a moleculei este hidrofilă . Într-un mediu apos, fosfolipidele tind să se alinieze în așa fel încât să întoarcă gruparea fosfat, „capul”, spre apă, în timp ce „cozile”, formate din grăsimi, tind să se adune aproape una de cealaltă formându-se o bistrată fosfolipidică. Membranele biologice au acest tip de structură. Alte clase de lipide sunt carotenoizii , un pigment responsabil de absorbția luminii în plante și steroizii , compuși organici caracterizați printr-un schelet inelat care au în comun niște atomi de carbon și au funcții structurale, precum colesterolul sau hormonul . [21]

În cele din urmă, ca grup de biomolecule esențiale, găsim acizi nucleici . Sunt polimeri specializați în stocarea, transmiterea și utilizarea informațiilor genetice . Există două tipuri de acizi nucleici care sunt esențiali pentru noi: ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic). Monomerii de la baza lanțului se numesc nucleotide și constau dintr-un zahăr pentoză, o grupare fosfat și o bază azotată . Acesta din urmă poate lua două forme chimice: o structură inelară simplă, numită pirimidină , sau un inel dublu numit purină . Bazele azotate care constituie ADN - ul sunt Citosin și timină , adică purine, Guanine și Adenin , adică pirimidine; zahărul este dezoxiriboză . Dimpotrivă, ARN - ul are uracil în loc de timină și riboza ca zahăr, care are mai mult oxigen decât deoxiriboză. Nucleotidele joacă, de asemenea, alte roluri, cum ar fi în ATP (adenin trifosfat), care acționează ca purtător de energie în multe reacții chimice. [21]

Formarea moleculelor în spațiu

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: mediu interstelar .
Molecule observate în spațiu
Molecule găsite în spațiu prin observații la diferite lungimi de undă, evidențiind unele molecule de importanță biologică.

Odată aruncați în spațiu de explozii de supernova și, prin emisia de nebuloase planetare și vânturi stelare , atomii se combină între ei în spațiu pentru a forma molecule. Având în vedere abundența carbonului creat de nucleosinteză , multe dintre aceste molecule sunt organice . Materia organică este un component fundamental al sistemelor vii și reprezintă una dintre substanțele din care s-a dezvoltat viața pe pământul primordial. Producția de materie organică în spațiu este complicată datorită densității reduse a mediului interstelar și datorită prezenței radiațiilor UV și a razelor X care duc la o disociere rapidă a moleculelor mai complexe. Producția de hidrocarburi aromatice are loc în jurul supergigantelor roșii bogate în carbon, acestea sunt expulzate de vântul stelar și apoi captate de nori de praf și gaze, cu temperaturi scăzute și extincție ridicată , care protejează radiația, împiedicând disocierea acesteia. Temperaturile care caracterizează norii nu permit procesele chimice cunoscute între moleculele neutre, reacții care ar urma la viteze atât de mici încât nu pot explica în niciun fel abundențele moleculare observate. Prin urmare, este necesar să se ia în considerare reacțiile care au loc între speciile ionizate , cu consecința interacțiunii electromagnetice dintre particule. Ionizarea particulelor are loc în general datorită interacțiunii cu fotonii și razele cosmice . Ionul are o importanță fundamentală, deoarece constituie unul dintre punctele de plecare ale chimiei fazei gazoase, printr-un tip de reacție care se numește reacții de transfer de sarcină. [22] [18]

Un alt factor foarte important este prezența boabelor de praf cosmic . Aceste particule au o structură neregulată care joacă un rol dublu: protejează radiația cu o lungime de undă mai mică decât dimensiunea boabelor și acționează ca un catalizator pentru sinteza de noi molecule prin mai multe tipuri de reacții chimice. [18]

Moleculele interstelare găsite în spațiu sunt mai mari de o sută [23] ; printre ele diverse molecule de interes biologic, precum cianura de hidrogen , acidul formic , formamida , acidul acetic și glicoladeida, cu posibila descoperire (neconfirmată) a glicinei , unul dintre aminoacizii biologiei terestre. În condiții adecvate, aceste molecule din spațiul interstelar pot forma aminoacizi și baze azotate [24] . În concluzie, moleculele care se pot forma în spațiul interstelar, cu și fără ajutorul prafului cosmic, sunt multe și, de asemenea, foarte complexe. Vânturile de particule produse de superne și rotația Căii Lactee, în cei 14 miliarde de ani de la naștere, au distribuit această cantitate enormă de molecule organice peste tot. Nori de gaze interstelare actuale posedă deja moleculele potrivite pentru formarea compușilor biologici pe Calea Lactee, când se nasc noi stele cu planetele lor. Pe noile planete, aceste molecule ar putea da naștere la apariția formelor de viață, așa cum sa întâmplat cu aproximativ 4,6 miliarde de ani în urmă pentru Pământ. [18]

Nașterea Pământului și a Sistemului Solar

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Formarea și evoluția sistemului solar .

Nașterea sistemului solar

Nașterea stelelor și discul protoplanetar
Nașterea unei stele și a discului protoplanetar din jurul ei.

Datorită modelelor teoretice și observațiilor efectuate de telescoape precum ALMA și HST , se crede că sistemele planetare apar dintr-un nor de gaz interstelar.

Se crede că același proces s-a produs și în sistemul solar. Mărimea estimată a norului de gaz interstelar din care trebuie să se fi format este de aproximativ 10 ^ 4 AU ( Unitate Astronomică ). Acest nor, alcătuit în mare parte din hidrogen și praf interstelar , se crede că se rotește pe sine. Rotația acestui nor ar explica de ce majoritatea corpurilor prezente au aceeași direcție de rotație în jurul Soarelui și în jurul axei lor. [18]

Atunci când forța gravitațională, datorată masei norului în sine, depășește forța de presiune a gazului care îl compune, începe un proces care duce structura să se prăbușească asupra sa, crescând astfel densitatea centrală a norului și dând naștere la steaua în jurul căreia se vor roti viitoarele planete. După o perioadă de timp care depășește 200.000 de ani, prăbușirea norului formează o structură turtită pe polii de rotație pe care oamenii de știință o numesc disc protoplanetar sau disc circumstelar . [25] Trebuie amintit că, pe măsură ce se produce colapsul, rotația discului trebuie să respecte legea conservării impulsului unghiular , ceea ce înseamnă că, dacă dimensiunea discului scade, viteza de rotație a acestuia crește. Mai mult, în regiunile mai ecuatoriale ale norului, forța centrifugă atinge niveluri astfel încât să poată contracara forța gravitațională, împiedicând materialul să cadă spre centru. Timpul de supraviețuire al discului protoplanetar este estimat a fi între 5 și 10 milioane de ani. [25]

Evoluția discurilor este determinată de diferite procese, cum ar fi fotoevaporarea , care determină discul să treacă prin diferite etape de dezvoltare: disc complet, disc de pre-tranziție și disc de tranziție. Rezultatul final este un sistem planetar în care discul s-a dizolvat complet. Avem dovezi ale acestor procese datorită imaginilor din telescopul ALMA. Observațiile se fac adesea în infraroșu, pentru a putea vedea radiația care este re-emisă de praf, iluminată de steaua centrală. Pe lângă sistemul planetar, putem observa adesea, tot în infraroșu, ceea ce se numește discuri de resturi (sau centura de asteroizi ). Există trei discuri de resturi în sistemul solar: centura principală , centura Kuiper și norul Oort . [25]

Concomitent cu evoluția discului, boabele de praf, printr-un proces de coliziune și lipire între ele, formează corpuri din ce în ce mai mari care atunci când ajung la dimensiunea de 10 - 20 km se numesc Planetesimale [18] [25] . Acestea sunt în mare parte compuse din silicați și elemente chimice mai grele (fier, nichel ...), care formează doar 1% din compoziția chimică a discului, care este în mare parte compusă din hidrogen. Datorită coliziunilor repetate ale acestor corpuri cerești primordiale și agregării lor în obiecte din ce în ce mai mari se formează planete. Datorită masei lor considerabile, sunt capabili să atragă din ce în ce mai mult material, crescând în continuare. Dacă materialul în cauză este gazul, acesta poate forma o atmosferă primordială de hidrogen, care ulterior va fi îmbogățit cu elemente mai grele. Un rol foarte important îl are temperatura. De fapt, planetele stâncoase, care sunt situate în zona cea mai interioară (și, prin urmare, cea mai fierbinte) a discului, acumulează doar o ușoară atmosferă, deoarece hidrogenul tinde să atingă viteza de evacuare și, prin urmare, să scape, în timp ce planetele mai externe, pe care le se gasesc in zona cea mai rece, reusesc sa formeze o atmosfera care devine din ce in ce mai abundenta si se stratifica. La o anumită distanță temperatura este de natură să formeze gheață, apă, dar și metan și amoniac [18] . Această distanță se numește linia de zăpadă și în sistemul solar corespunde 2,7 UA.

Există mai multe modele care încearcă să descrie evoluția dinamică în momentele care urmează formării planetelor, iar în acești ani Modelul de la Nisa este cel mai acreditat. [25]

Căutați planete în jurul altor stele

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Exoplaneta .
Impresia artistului despre Proxima Centauri b
Peisajul imaginar al planetei b din jurul celei mai apropiate stele, Proxima Centauri

Identificarea planetelor în jurul altor stele, numite exoplanete, este extrem de dificilă, iar acest lucru este evident mai ales dacă vă gândiți la diferența de luminozitate dintre stea și corpul care orbitează. De fapt, steaua este atât de strălucitoare încât nu ne permite să observăm nimic în imediata sa apropiere. Din acest motiv și, de asemenea, pentru diferența de mărime, oamenii de știință au găsit abia recent metode din ce în ce mai rafinate și au folosit instrumente extrem de sensibile pentru a le descoperi.

Din anii 1980, aproximativ 4000 de exoplanete au fost confirmate [26] și mulți așteaptă verificarea și confirmarea. Evident, căutarea planetelor în jurul altor stele începe să devină importantă pentru astrobiologie atunci când se găsesc planete potențial locuibile, capabile să găzduiască forme de viață similare cu cele de pe Pământ.

Caracteristicile esențiale pe care o planetă trebuie să le aibă pentru a găzdui viața așa cum o cunoaștem sunt multe și rare de găsit. De fapt, cerințele esențiale sunt prezența apei lichide la suprafață, prezența unui câmp magnetic și a unei atmosfere. De asemenea, este importantă poziția sa față de steaua care o găzduiește și mai presus de toate tipul de stea. De fapt, stelele din clasa spectrală "O" sau de tipul "B" (vezi clasificarea stelară ) ard resursele de energie prea repede (în mai puțin de 5 milioane de ani) și acest lucru nu dă timp unei posibile planete pentru a forma și a crea condițiile factori de mediu care fac ca nașterea vieții să fie favorabilă. Mai mult, regiunile din jurul acestor stele ar fi supraabundante cu radioactivitate datorită emisiei intense de raze X și UV, în special unei stele de tip O sau B. [27] Prin urmare, o căutare a planetelor potențial locuibile ar trebui să se concentreze asupra stelelor aparținând restului dintre clasele spectrale (A, F, G, K, M). Evident, planetele prea apropiate ar suferi prea mult din cauza forțelor mareelor datorate stelei și s-ar bucura de o temperatură de suprafață prea ridicată, întrucât planetele prea îndepărtate nu ar primi suficientă radiație solară pe metru pătrat de suprafață și, astfel, s-ar găsi înghețate.

Distanța perfectă de steaua gazdă există, este numită de oamenii de știință zona locuibilă și este acel interval de distanțe care permite formarea stabilă a apei lichide la suprafață. Desigur, acest lucru nu înseamnă că fiecare planetă din zona locuibilă găzduiește de fapt forme de viață. Este suficient să spunem că, pe lângă Pământ, atât Venus , cât și Marte sunt situate în zona locuibilă a Soarelui.

În cele din urmă, un aspect mai tehnic este reprezentat de faza T-Tauri , care contribuie la procesul de evaporare a discului. De fapt, această fază, prin care trece evoluția stelei, este esențială, deoarece este cauza unei emisii neregulate și violente, dacă este necesar, de energie care a curățat zonele din jurul planetelor. În cazul sistemului solar, se estimează că a avut loc la aproximativ 100 de milioane de ani după nașterea Soarelui. Multe alte stele arată această fază în galaxia noastră. Dacă procesul de evaporare a discului nu ar fi fost eficient, atunci protoplanetele ar rămâne scufundate în discul de praf timp de miliarde de ani primind mai puțină radiație solară și nereușind să ajungă la o situație optimă pentru nașterea vieții. Aceste condiții pot apărea în stele mai masive, cum ar fi Beta Pictoris , care evoluează rapid, au o fază T-Tauri prea scurtă pentru a șterge discul protoplanetar.

Metodele de detectare a exoplanetelor sunt diferite și aici sunt menționate doar principalele:

  • Metoda vitezei radiale . Fiecare obiect din sistemul solar se învârte în jurul unui centru comun de masă și acest lucru se întâmplă și planetelor unei alte stele. Observându-i liniile spectrale, ne dăm seama că, în realitate, ele se mișcă periodic cu privire la poziția în care ar fi dacă steaua ar staționa. Acest efect este cunoscut sub numele de Efect Doppler și, în acest caz, se datorează faptului că steaua în cauză oscilează datorită prezenței unui corp masiv în imediata apropiere, o planetă precis.
  • Metoda de tranzit. Se il pianeta nella sua orbita attraversa esattamente la nostra linea di vista, allora quello che si può fare è misurare la variazione di luce causata dall' eclissi della stella da parte del pianeta. Nel momento in cui il pianeta gli passa davanti, lo strumento riesce a misurare una diminuzione della sua luminosità. Grazie a questo metodo si riesce a calcolare il periodo (dopo due transiti successivi), la massa e la distanza del pianeta dalla stella.
  • Lente Gravitazionale , che sfrutta la situazione in cui il pianeta e la stella sono allineati, rispetto alla nostra linea di vista, riuscendo così a far convergere la luce verso un punto specifico (noi) permettendoci così di individuare il corpo orbitante.
  • Osservazione diretta. Possibile solo per pianeti non troppo distanti, è un metodo utilizzato di rado. Grazie al posizionamento di un occultatore sull'immagine del disco ottico, il telescopio è in grado di osservare e fotografare la luce della stella riflessa da oggetti nelle vicinanze.
  • Osservazioni nell'infrarosso. Attraverso l'osservazione nell'infrarosso è possibile rintracciare la radiazione che viene riemessa dalle polveri illuminate dalla stella centrale e trovare così giovani dischi protoplanetari, da cui nascono i pianeti, oi più vecchi dischi di detriti, presenti nei sistemi planetari e anche nel Sistema solare. Questo metodo non permette di rintracciare il pianeta, ma solo indicatori della loro presenza. [28]

Evoluzione della superficie e atmosfera terrestri

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Storia della Terra .

Per via delle alte temperature che si registrano nella zona interna del Sistema solare , i pianeti rocciosi non sono riusciti a tenere la maggior parte della quantità di idrogeno ed elio che componeva la loro primissima atmosfera. Infatti gli atomi superavano facilmente la velocità di fuga del pianeta riuscendo così a sfuggire dalla sua gravità. Questo è accaduto anche alla Terra . Su pianeti come Giove , Saturno , e gli altri giganti gassosi, la temperatura non era così alta e questi sono riusciti a mantenere l'atmosfera primordiale e continuare ad accumulare gas e quindi ad aumentare la loro massa. Mentre le atmosfere dei pianeti rocciosi sono molto diverse sia da quelle primordiali che tra di loro, quelle dei pianeti gassosi sono praticamente rimaste immutate, e hanno all'epoca attuale una composizione chimica simile a quella del Sole e del disco protoplanetario .

La storia delle atmosfere dei pianeti interni è stata moto diversa. Dopo aver perso la maggior parte dell'atmosfera primordiale, grazie all'intensa attività vulcanica, essi hanno creato un'atmosfera secondaria di elementi chimici molto diversi. Questo processo ha riempito i pianeti di vapore d'acqua (H 2 O), anidride carbonica (CO 2 ), solfati e azoto (N 2 ). Da qui in poi la vita delle atmosfere dei pianeti rocciosi è stata diversa: Mercurio per via della troppa vicinanza al Sole e la mancanza di campo magnetico non è riuscito a trattenere nemmeno l'atmosfera secondaria, così come Marte , che ha un debolissimo campo magnetico , che è un elemento essenziale per la protezione dell'atmosfera dal vento solare .

La concentrazione dell'anidride carbonica di Marte è del circa il 95%, livello molto simile a quella di Venere . È grazie alla fissazione del carbonio nelle rocce carbonatiche , tramite le piogge, i fiumi e la deposizione nei fondali marini, che una parte dell'anidride carbonica è stata sottratta dall'atmosfera terrestre. La fissazione del carbonio si basa sulla Reazione di Urey che può essere semplificata come segue:

CO 2 + CaSiO 3 → CaCO 3 + SiO 3

in cui un catalizzatore è l'acqua.

Ma la maggior parte dell'anidride carbonica presente all'origine sulla Terra è scomparsa grazie alla successiva comparsa della fotosintesi clorofilliana nei cianobatteri e nella vegetazione . La fotosintesi ha prodotto l'attuale 21% di ossigeno facendo divenire il poco azoto originario il 78% del volume della nostra atmosfera. Questa reazione è stata fondamentale per la nascita dell'atmosfera terrestre nella composizione attuale, e quindi importantissima per la nascita della vita. La comparsa dell'ossigeno nell'atmosfera e nei mari circa 2 miliardi di anni fa nella Grande Ossidazione ha creato anche lo strato di ozono che assorbe parte della radiazione ultravioletta del Sole proteggendo le forme di vita.

Un altro meccanismo che gode di una certa importanza è l' effetto serra . Infatti grazie a molecole come il vapor d'acqua , il metano e l' anidride carbonica , che assorbono la radiazione nell'infrarosso che proviene dal riscaldamento del suolo e dei mari, il pianeta è in grado di trattenere il calore e riscaldare la propria superficie. Bisogna sottolineare che questo fenomeno è molto delicato e potrebbe anche essere controproducente alla vita. Un chiaro esempio è dato dal pianeta Venere che oltre a non aver fissato il carbonio, ha anche creato un'atmosfera fitta e densa, dove l'effetto serra raggiunge livelli così alti da far raggiungere temperature dell'ordine dei 464 °C.

In tutti quei pianeti capaci di creare un'atmosfera secondaria tramite eruzioni vulcaniche, ha avuto anche luogo la condensazione dell'acqua, di fondamentale importanza per la vita. Questo fenomeno però è estremamente influenzato dalla temperatura, poiché avviene solo nei luoghi in cui la temperatura non è troppo alta per farla evaporare ne troppo bassa per congelarla. Si capisce dunque come mai su Venere, per via della temperatura troppo elevata, non fosse possibile la presenza di acqua liquida sulla superficie. Si hanno invece le prove quasi certe della presenza di acqua liquida sulla superficie di Marte, che nel primo miliardo di anni dalla sua nascita formava fiumi e forse anche un oceano, che copriva l'emisfero Nord del pianeta. Purtroppo, dopo che le condizioni all'origine dell'emissione vulcanica di vapore, anidride carbonica e metano e il suo campo magnetico vennero a mancare, la sua atmosfera svanì e l'acqua evaporò.

Sulla Terra l'acqua è una delle sostanze presenti in maggiore quantità, e una delle fondamentali per la vita. Si pensa che parte dell'acqua presente sul nostro pianeta possa essere stata trasportata anche dall'esterno tramite impatti con comete che ne contenevano grandi quantità. Questo dovrebbe essere avvenuto soprattutto in un periodo compreso tra i 4,1 ei 3,7 miliardi di anni fa nel Grande Bombardamento che ha coinvolto non solo la Terra, ma tutti i pianeti rocciosi, che potrebbero aver trasportato insieme all'acqua, anche sostanze prebiotiche. [18]

Origine della vita sulla Terra

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Origine della vita .

Con Origine della Vita sulla Terra si intende il processo naturale con il quale sul nostro pianeta si sia formata la vita a partire da materia inanimata. Sebbene il dibattito sul principio sia ancora aperto, la maggior parte dei ricercatori concordano sul fatto che questo processo sia avvenuto non tramite un singolo evento, bensì in una serie di passaggi.

Forme di vita estreme

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Estremofilo .
Black smokers e vermi a tubo
Comunità di animali (vermi a tubo, mitili e granchi) attorno ad una fumarola vulcanica sottomarina, detta "black smoker"

Esistono sulla Terra degli ambienti con condizioni così estreme (ad esempio temperature o pressioni estremamente alte o basse, alti livelli di radiazione, acidità, acqua contenente alte concentrazione di sale o altre sostanze) da essere simili a quelli extraterrestri. È importante quindi studiare gli esseri viventi che abitano questi luoghi, detti estremofili , per conoscere meglio le condizioni per cui si sia formata la vita sulla Terra primordiale o la possibilità di vita in ambienti alieni.

Le fumarole nere ( black smokers ) sono un esempio di questi ambienti. Si tratta di flussi scuri, simili a fumo, che fuoriescono da fessure presenti in zone di intensa attività vulcanica sottomarina. I metalli (soprattutto solfuro di ferro), a contatto con l'ossigeno, precipitano e danno il caratteristico colore scuro. Fenomeni simili a questi potrebbero trovarsi sulle lune di Giove e Saturno, ad esempio Encelado . A causa della forte pressione, tra i 70 ei 300 bar, e dell'alta temperatura, superiore ai 370° [28] , la sintesi dei composti organici può essere più semplice che in superficie. Si è rilevata inoltre una più alta concentrazione di zolfo, metano, idrogeno libero, fosforo, azoto e vari metalli. Queste condizioni, a parte l'assenza luce e l'alta pressione, sono quelle richieste dall' esperimento di Miller per la formazione spontanea di molecole organiche. Gli elementi emessi dai black smokers, reagendo con l'ambiente circostante, possono portare alla formazione di amminoacidi , la maggior parte dei quali sono instabili a causa delle condizioni estreme di questo ambiente. Tuttavia, grazie ai moti convettivi causati dai gas, queste sostanze passano rapidamente in acque fredde, in condizioni che permettono loro di essere stabili. Si sono trovate molte forme di vita attorno ai black smokers:

  • batteri, la maggior parte dei quali sono archea anaerobici , eterotrofi , metanogeni e utilizzano il meccanismo della fermentazione e il ciclo dell'acido citrico . Non vi sono organismi che utilizzino la fotosintesi, ma esistono alcuni in grado di utilizzare la radiazione infrarossa prodotta dal calore dell'acqua e dalla pressione.
  • numerosissime specie di animali, localizzate all'esterno degli sfiatatoi. Ne sono un esempio l' Alvinella (verme di Pompei), un verme che può resistere fino a 90 °C, la Riftia pachyptila , un verme a tubo lungo fino a 3 metri che vive in simbiosi, come altri di questi animali, con moltissimi batteri.

Lo studio di questo tipo di organismi ha permesso l'ipotesi secondo la quale la vita non debba necessariamente svilupparsi in superficie ed esposta alla luce.

Un altro esempio di ambiente estremo sono i clatrati oceanici, zone particolari situate nei fondali oceanici che si formano a pressioni che variano tra i 50 ei 100 bar ea temperature di pochi gradi [28] . Come nei black smokers, attorno alla zona dei sedimenti vi sono numerosi batteri chemiosintetici e molti animali come mitili , molluschi e vermi a tubo. Solo i vermi del metano (methane ice worms [29] ) vivono all'interno dei clatrati. Anche qui esistono molti batteri e animali che riescono a sopravvivere senza il bisogno di luce. Una di queste zone si trova nel Golfo del Messico e si stima che si sia formata nel periodo Giurassico .

La maggior parte del pianeta Terra ha condizioni di vita che noi definiamo "estreme" ed è popolato da numerosissime specie di esseri viventi, per lo più microscopici. In realtà le condizioni di temperatura, pressione, composizione atmosferica, acidità e salinità necessarie per la sopravvivenza della specie umana sono molto ristrette e si potrebbe dire che siamo noi gli "estremofili" rispetto alle altre specie viventi. Questo allarga molto gli orizzonti di ricerca di vita su altri pianeti extrasolari, le cui condizioni ambientali possono essere proibitive per l'Uomo ma adatte a ospitare altre forme viventi.

Ricerche di astrobiologia nel Sistema solare e intorno ad altre stelle

La ricerca di vita nel Sistema solare è legata alle somiglianze delle condizioni ambientali dei corpi che lo abitano con ambienti terrestri in cui è certa la proliferazione di vita.

Il pianeta Mercurio non riesce a trattenere l'atmosfera, condizione indispensabile per la vita sulla Terra, perché è troppo piccolo e caldo a causa della sua vicinanza con il Sole.

Venere , al contrario, ha un'atmosfera, ma questa è composta da una percentuale troppo elevata di CO 2 ; infatti su Venere non è presente acqua allo stato liquido che ha il ruolo di catalizzatore nella reazione che permette la fissazione dell'anidride carbonica dall'atmosfera alle rocce. La CO 2 in quantità elevate è un problema perché essa è trasparente alla radiazione proveniente dal Sole ma riflette i raggi infrarossi emessi dalla superficie del pianeta, producendo un effetto serra e un conseguente innalzamento della temperatura superficiale del pianeta che arriva a circa 464 °C [30] ; si ritiene che questa temperatura sia troppo elevata per ospitare vita simile a quella terrestre.

I corpi più interessanti per la ricerca di vita nel sistema solare sono:

  • Marte , perché si pensa che in passato fosse presente acqua allo stato liquido;
  • Europa , che probabilmente nasconde un oceano di acqua liquida sotto la spessa crosta ghiacciata;
  • Titano , con un probabile oceano sotto la superficie, interessante per la presenza di un'atmosfera costituita da azoto per il 95%;
  • Encelado , con geyser d'acqua ghiacciata e un probabile oceano sotto la superficie.

L'interesse per questi corpi planetari ha portato alla progettazione di diverse missioni spaziali il cui scopo è quello di comprendere l'ambiente attuale, la sua evoluzione e la possibilità dello sviluppo di vita nel presente o in passato.

Esplorazione di Marte

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Esplorazione di Marte .
Cicli di produzione e distruzione di metano su Marte
Possibili processi di produzione e distruzione delle sorgenti di metano osservate su Marte. Sono confrontati i due ipotetici processi biologici e non biologici.

Marte è un pianeta che ha sempre suscitato interesse perché ha alcune analogie con la Terra, come la formazione e l'evoluzione, ma è interessante soprattutto dal punto di vista dell'astrobiologia, a causa della probabile esistenza di oceani sulla superficie in passato e della presenza attuale di acqua sotto alla superficie. Inoltre, è il pianeta più facilmente raggiungibile rispetto ai satelliti di Giove e Saturno. Per questi motivi sono state progettate e svolte molte missioni. È detto "il pianeta rosso" per via del colore che hanno le sue sabbie contenenti ossidi minerali.

Dal punto di vista dell'astrobiologia la prima missione importante è stata la Viking ; i lander Viking 1 e Viking 2 erano infatti entrambi equipaggiati con strumenti per svolgere esperimenti legati alla ricerca della vita. I risultati dei diversi esperimenti sono però di ambigua interpretazione [18] .

Successivamente, dal 2006, grazie alla camera ad alta risoluzione HiRISE a bordo della Mars Reconnaissance Orbiter , sono state ottenute delle immagini con risoluzione di 30cm/pixel, che hanno osservato dei crateri da impatto appena formati contenenti ghiaccio, il quale è sublimato per effetti stagionali durante le osservazioni successive [31] ; lo strumento SHARAD , ha permesso la rivelazione di ghiaccio di acqua fino a una profondità di 40 metri [32] .

Gli obiettivi della missione ExoMars 2016 legati alla ricerca astrobiologica sono cercare tracce di vita presente e passata dallo studio dei gas che compongono l'atmosfera con gli strumenti NOMAD e ACS, come metano e idrocarburi, e realizzare una mappatura della distribuzione di acqua appena al di sotto della superficie con lo strumento FREND.

Oltre allo studio di immagini del pianeta rosso, si punta ad analizzare le componenti della superficie e ancora di più quello che c'è al di sotto. Infatti, da esperimenti condotti sulla Terra che hanno riprodotto l'ambiente marziano, si è scoperto che la radiazione presente sulla superficie del pianeta è troppo elevata per permettere la presenza di vita, ma uno strato di qualche centimetro di polvere è sufficiente a schermare la radiazione [33] .

Nella futura missione ExoMars 2020 un rover atterrerà sulla superficie di Marte e sarà in grado di estrarre e analizzare campioni di terreno fino a 2 metri di profondità [34] .

Inoltre, sono di grande interesse l'esplorazione dei tunnel presenti su Marte, che hanno un'origine vulcanica o carsica [35] . Lo strumento HiRISE è in grado di identificare le entrate dei tunnel, da cui se ne può stimare la profondità minima grazie allo studio delle ombre.

L'esplorazione di questi ambienti è molto importante dal punto di vista scientifico, ma è anche tecnologicamente molto difficile da realizzare con dei robot [36] . Per questo motivo si fa sempre più avanti l'idea di mandare astronauti sul pianeta rosso, come dimostrano i progetti CAVES [37] e PANGAEA [38] dell' ESA .

Esplorazione dei satelliti di Giove e Saturno

Titano e mari di metano liquido.
Emisfero di Titano, satellite di Saturno, con visibili i mari di metano liquido.

A causa della grande distanza, non sono state realizzate molte missioni per la scoperta di Giove e Saturno e delle rispettive lune.

Le prime immagini di Giove e Saturno sono state catturate dalle sonde Pioneer e Voyager , che hanno realizzato incontri ravvicinati con i pianeti gassosi durante il loro viaggio verso le zone più esterne del sistema solare.

La prima sonda dedicata all'esplorazione di Giove e dei suoi satelliti principali è stata Galileo , lanciata nel 1989 e giunta in orbita attorno a Giove nel 1995. Le scoperte importanti per l'astrobiologia riguardano i satelliti principali di Giove: Ganimede , Europa e Callisto . Essi sono dei corpi ghiacciati che molto probabilmente nascondono un oceano di acqua liquida sotto lo spesso strato di ghiaccio; se ci fossero delle fonti di calore, come per esempio i black smokers terrestri, non sarebbe da escludere la presenza di vita. La sonda Galileo ha osservato, tra le altre cose, le curiose caratteristiche superficiali di Europa, ricoperta di faglie lunghe migliaia di km. Queste si formano frequentemente a causa dell' interazione mareale con il gigante gassoso Giove, che frattura il ghiaccio superficiale come avviene nell' oceano artico terrestre ed è possibile constatare che le faglie più scure sono le più recenti e che da esse fuoriesce il materiale sottostante alla crosta ghiacciata [39] . La missione JUICE , il cui lancio è previsto nel 2022, avrà il compito di studiare in modo più approfondito tutto il sistema gioviano e, in particolare, di catturare immagini più dettagliate dei satelliti di Giove compiendo per la prima volta orbite attorno ad essi [40] .

L'unica missione volta all'esplorazione di Saturno e dei suoi satelliti è stata la Cassini Huygens , iniziata nel 1997 e arrivata a destinazione nel 2004. Il lander Huygens , atterrato su Titano , ha effettuato un'analisi dell'atmosfera del satellite e ha individuato la presenza di idrocarburi, firma di una possibile presenza di vita . Titano è infatti l'unico satellite del Sistema solare ad avere una atmosfera sviluppata, e ha la caratteristica di essere riducente , come quella che si pensava, erroneamente, avesse la Terra primordiale. Numerosi esperimenti, condotti inizialmente per comprendere l'origine della vita sulla Terra, come l'esperimento di Miller , hanno evidenziato che in un'atmosfera simile a quella di Titano ed in presenza di radiazione ultravioletta si possono sviluppare molecole organiche come la tolina . Il metano è l'elemento maggiormente coinvolto nelle reazioni chimiche che avvengono nell'atmosfera e producono idrocarburi; queste reazioni sono irreversibili, quindi è necessario ipotizzare una fonte di metano e una ciclo a idrocarburi, che potrebbe essere l'analogo del ciclo idrico terrestre. Inizialmente si è pensato alla presenza di oceani di metano sulla superficie di Titano. Effettivamente, dalle misurazioni svolte, la temperatura e la pressione superficiali sono adatte alla presenza di metano allo stato liquido. Le prime immagini ottenute dalla sonda Huygens mostrano però delle regioni aride e dei corsi fluviali prosciugati. Successivamente sono state raccolte due prove importanti della presenza di liquidi sulla superficie di titano. Nel 2008 lo strumento VIMS individua nella regione denominata Ontario Lacus la presenza di etano, metano e in minor quantità di altri idrocarburi che, formatisi nell'atmosfera per fotodissociazione , devono essere precipitati sotto forma di pioggia sulla superficie ed essere quindi nello stato liquido. La seconda prova è stata raccolta nel 2009, quando è stata osservata una riflessione speculare , possibile solo se la superficie che riflette è costituita da elementi nello stato liquido. Le regioni contenente liquidi sono troppo ridotte per permettere il riciclo del metano nell'atmosfera, per questo motivo si pensa che altro metano possa provenire dall'interno del satellite dove è rimasto intrappolato in clatrati durante la formazione di Titano oppure formato per serpentinizzazione . Il metano potrebbe essere rilasciato nell'atmosfera dai criovulcani [39] .

Per quanto riguarda Encelado , la sonda Galileo ha fotografato diversi geyser di acqua ghiacciata emessi da regioni che appaiono geologicamente giovani, pieni di striature dette "tiger stripes [41] "

Esplorazione degli ambienti dei pianeti extrasolari

Tracce biologiche sui pianeti extrasolari.
Rappresentazione artistica di TRAPPIST1 coi suoi pianeti e la ricerca di tracce biologiche con esperimenti.

Lo studio dell' atmosfera di un pianeta extrasolare può essere utile a comprendere se in esso siano presenti o meno forme di vita. Per farlo si usano telescopi che lavorano nel regime dell'infrarosso , in modo da rivelare tracce di gas che emettono o assorbono in queste lunghezze d'onda e si analizza la luce di questi pianeti mediante spettrometria .

Esistono tuttavia dei segni della presenza di forme di vita sulla Terra che sono rilevabili dallo spazio. Questi segni da ricercare nelle atmosfere degli esopianeti, simili ai marcatori biologici , sono le righe di assorbimento di ossigeno (O 2 ), ozono (O 3 ), metano (CH 4 ), acqua (H 2 O), anidride carbonica (CO 2 ), che potrebbero essere indice di una biosfera attiva, e la presenza di clorofilla . [42]

Dagli spettri di riflettanza della Terra, la presenza di clorofilla si vede grazie al red-edge, ovvero il picco attorno alla lunghezza d'onda di 800 nm.
È tuttavia da dire anche che, se le caratteristiche del pianeta extrasolare sono diverse da quelle terrestri (se ad esempio la stella attorno a cui ruota il pianeta non è di tipo solare), si potrebbe non essere in grado di distinguere tra origine biologica e non biologica di tali tracce.

Tra le missioni future che prevedono di studiare le atmosfere dei pianeti extrasolari c'è Ariel [ collegamento interrotto ] , che verrà lanciato nel 2028.

Viaggi spaziali e sopravvivenza di forme di vita

Stazione orbitale
Rappresentazione artistica di una stazione orbitale intorno alla Terra

Un altro argomento dell'astrobiologia riguarda la possibilità di esplorare pianeti del Sistema solare o di altre stelle e l'interazione tra l'ambiente spaziale le forme di vita umane e non solo. Le ipotesi di viaggi interstellari devono tener conto dei danni subiti dagli esseri viventi in ambienti extraterrestri e della mancanza di energia necessaria a rendere fattibili questi viaggi.

Esseri umani, animali e piante nello spazio extraterrestre

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Medicina spaziale .

Anche se protetti da un veicolo spaziale, gli astronauti (ei loro batteri, animali e piante) subiscono danni dalle particelle dei raggi cosmici e dall'assenza di forza di gravità.

Il danno che i raggi cosmici e le radiazioni elettromagnetiche ad alta energia possono provocare sui viventi è molto elevato. Se la probabilità di morire di cancro per un essere umano che vive in una nazione sviluppata è del 30% [43] , per un uomo non fumatore dopo un viaggio su Marte può aumentare moltissimo. Un viaggio del genere quindi non si può mettere in pratica con dei rischi così elevati e richiederà soluzioni speciali [44] .

La mancanza di gravità è un secondo aspetto con effetti complessi: Per studiare gli effetti che subiscono animali, piante ed umani nello spazio si conducono degli esperimenti sulla ISS , tra questi alcuni riguardano la mancanza di gravità. Sulla stazione la gravità è 10 -6 g, un milionesimo rispetto a quella sulla superficie terrestre ( microgravità ). Alcuni effetti causati dalla microgravità sono, tra i tanti:

  • In queste condizioni si perde la percezione di alto e basso, data da alcuni organelli ( statoliti per le piante e otoliti per gli animali), che in presenza di gravità si depositano verso il basso e in microgravità invece fluttuano.
  • Nella crescita la struttura delle piante subisce delle modifiche [45] , poiché non c'è più una precisa direzione verticale che indirizza rami e radici. Le piante in microgravità crescono più rapidamente all'inizio, poi si curvano e perdono la dominanza apicale . Le radici ei rami secondari possono diventare predominanti e crescere più di quelli primari.
  • Sono state anche coltivate piante di frumento, utilizzando culture idroponiche , messe cioè tra due strati in cui scorre un fluido nutriente.
  • Si è vista una maggiore produzione di insulina umana e di alcune proteine rispetto a quando si è in presenza di gravità [46] .
  • Per quanto riguarda gli animali la gravità influenza le cellule riproduttive [47] . Esperimenti condotti sulla rana acquatica Xenopus laevis e altri animali mostrano che in assenza di gravità alcuni embrioni subiscono deformazioni alla spina dorsale , mentre altri come il riccio di mare non subiscono effetti negativi.

Sugli umani gli effetti della mancanza di gravità sono molteplici, come studiato dalla medicina spaziale . In sintesi (citare libro ESA):

  • il sistema vestibolare è disturbato; si perde il senso dell'equilibrio e non si percepiscono le direzioni; Si ha come la sensazione continua di precipitare in caduta libera;
  • si hanno false sensazioni di moto degli arti e degli ambienti;
  • si può avere mal di spazio ;
  • poiché non c'è gravità i fluidi si ridistribuiscono dagli arti in tutto il corpo ( Riflesso di immersione ) e queste variazioni dei fluidi extracellulari producono facce paffute e gambe sottili;
  • parte dei fluidi passa dal sangue ai tessuti;
  • il corpo non ha sete, non beve, ma elimina di più i liquidi, diminuendo il volume sanguigno;
  • il cuore lavora meno e diminuisce di dimensioni e diminuisce successivamente anche l'eliminazione dei liquidi;
  • i muscoli si atrofizzano per mancanza di resistenza all'ambiente;
  • le ossa perdono calcio e si indeboliscono;
  • la spina dorsale si allunga;
  • diminuisce la vitamina D per mancanza di luce solare diretta.

Il corpo per riprendersi e far tornare ossa e muscoli allo stato normale impiega un tempo maggiore alla durata della missione.

All'interno di una navicella o nella stazione spaziale ISS gli esseri viventi sono protetti dalla riproduzione di un ambiente terrestre (atmosfera, pressione, temperatura, umidità, polveri, sterilizzazione). Nello spazio vuoto invece le cellule vegetative e gli organismi viventi, ricchi d'acqua, possono andare incontro alla distruzione poiché l'acqua congela aumentando di volume e sublima molto velocemente per la pressione troppo bassa (sublimazione esplosiva). Si usano per questo le tute spaziali quando si esce dalla navicella e durante le attività extraveicolari .
Alcuni esseri viventi però in condizioni estreme possono assumere delle strutture molto resistenti ( spore ), sospendendo il loro metabolismo. Il freddo quindi per queste forme di vita non è un problema, ma lo rimane la radiazione UV e le particelle cariche, che provocano danni al DNA. Si è osservato che il DNA viene danneggiato molto dalla radiazione UV di lunghezza d'onda di 260 nm ( UV-C ). Tuttavia alcuni batteri e piccoli organismi come i tardigradi in condizioni di vuoto ea basse temperature riescono a sopravvivere in esperimenti condotti nello spazio, mentre il batterio il Deinococcus radiodurans resiste a dosi di radiazioni che sarebbero letali per un essere umano, grazie a copie multiple del suo DNA.
Si porrebbe quindi il problema di una panspermia diretta ma involontaria: se i veicoli spaziali non fossero ben sterilizzati, potrebbero contaminare altri pianeti, se i batteri riuscissero a sopravvivere nello spazio.

Energia dei viaggi spaziali e tempi di percorrenza

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Propulsione spaziale .
Consumo di energia per lanci spaziali
L'energia necessaria per lanciare nello spazio varie sonde o astronavi, confrontata con la loro massa nell'ipotesi non relativistica, confrontata con la produzione di energia nazionale, mondiale e emessa dal Sole.

I viaggi nello spazio a grandi distanze potrebbero non essere fattibili a causa dell'energia richiesta per il volo e la protezione degli esseri viventi a bordo; se questa energia supera di molto la disponibilità del pianeta, un viaggio interstellare non sarebbe mai possibile, indipendentemente dal livello di civiltà e tecnologia raggiunto.

Per lanciare un veicolo nello spazio da un pianeta c'è bisogno di un' energia cinetica tale da superare l' energia gravitazionale del pianeta stesso. Si deve raggiungere quindi una velocità pari o maggiore della velocità di fuga . Per un corpo sulla Terra la velocità di fuga dal pianeta è di 11,2 km/s, mentre una sonda lanciata dalla Terra per sfuggire alla forza di gravità del Sole deve raggiungere almeno 42,42 km/s.

Per raggiungere una velocità sufficiente per il lancio si usa il terzo principio di azione e reazione : viene sparato del gas ad alta energia dai motori a razzo ea questa velocità di scarico corrisponde una velocità di spinta, che fa muovere il corpo in avanti, come effetto di rinculo .

Il problema è che i veicoli spaziali usati fino all'inizio del XXI secolo hanno la maggior parte del peso in combustibile e razzi vettori che vengono persi subito dopo il lancio. Ad esempio nei lanci dello Shuttle il carico utile (esperimenti e equipaggio) era solo 28 tonnellate rispetto a 1900 tonnellate di serbatoi e missili. Il costo in termini di energia cinetica derivante da combustibile è quindi molto elevato e cresce tanto più quanto più è alta la velocità che si vuole raggiungere e la massa della navetta spaziale. A velocità che si avvicinano a 30.000 km/s, 1/10 della velocità della luce, il costo del volo in termini di energia può diventare insostenibile. Si può cercare di aumentare la velocità di volo sfruttando ad esempio l' effetto fionda , metodo utilizzato dalle sonde Voyager , oppure usando vele solari o vele magnetiche , che accelerano progressivamente sfruttando la radiazione e il vento solare. Tuttavia quest'ultimo metodo non ha ancora raggiunto risultati efficienti. Per frenare poi, una volta che il corpo è arrivato alla meta, occorre utilizzare dei retrorazzi con ulteriore dispendio di energia oppure l'attrito atmosferico ( aerobraking ) se il pianeta di arrivo è provvisto di atmosfera.

Oltre all'energia, il problema dei viaggi spaziali è la loro durata. Andare a velocità molto elevate significa diminuire il tempo di viaggio, ma anche consumare più energia. Arrivando a velocità vicine a quella della luce, se ad esempio si volesse arrivare al centro galattico , il viaggio durerebbe 80000 anni rispetto alla Terra, un tempo molto maggiore dell'età media di un umano, e della durata della stessa tecnologia utilizzata per mantenerlo in vita nell'astronave. Tuttavia fisicamente non è possibile andare a velocità maggiori, poiché, dalla teoria della Relatività Speciale , muoversi alla velocità della luce corrisponde a sfruttare un'energia infinita per un corpo dotato di massa e il problema sarebbe proprio trovare questo ammontare di energia. Secondo teorie cosmologiche ci sarebbero dei modi per spostarsi lungo traiettorie più corte ( tunnel spaziali ), ma non vi sono ancora prove a favore di ciò. È pensabile che, indipendentemente dalla tecnologia, un viaggio spaziale sia troppo alto in costi energetici per qualsiasi civiltà in grado di muoversi nello spazio [18] .

Comunicazione con civiltà extraterrestri

Progetti SETI

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: SETI .

Il Progetto SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence) è un progetto nato nel 1960 ad opera dell'astronomo Frank Drake , con lo scopo di cercare forme di vita intelligenti fuori dal Sistema solare. In questo contesto, vi sono stati numerosi progetti di ricerca tramite radiotelescopi per rilevare eventuali messaggi provenienti da altre civiltà, finanziati anche da privati. Le ricerche svolte dal SETI sono di vario tipo: targeted search (osservazione accurata di specifici target), serendipity mode (collocare un ricevitore ad un radiotelescopio che sta compiendo altre ricerche e riceverne passivamente i dati) o survey (esplorazione uniforme di tutto il cielo). Poiché questi progetti producono una notevole quantità di dati, è stato avviato il progetto SETI@home . In pratica, è possibile installare sul proprio computer un software che analizzi i dati raccolti nell'ambito del progetto SETI, in modo da ridurre la mole di lavoro degli scienziati. Ci sono milioni di persone in più di 200 Paesi che partecipano al progetto e, nel complesso, hanno dato un contributo equivalente a milioni di anni di analisi [48] .

Il simbolo più famoso del progetto SETI fu il radiotelescopio di Arecibo , situato nell'isola di Porto Rico e con un'antenna di circa 300 m di diametro. Dal 1963 fino al 2020 questo telescopio venne usato, più di ogni altro, per cercare segnali radio provenienti da altre civiltà, senza successo. La frequenza a cui ci si aspetta di trovare segnali inviati da altre civiltà è quella caratteristica dell'atomo di idrogeno . Essendo quest'ultimo l'elemento più abbondante dell'universo, una civiltà intelligente dovrebbe conoscerlo e dovrebbe quindi conoscerne le emissioni caratteristiche. Questa frequenza è quella a 1420 MHz, corrispondente a una lunghezza d'onda di 21 cm. Altre proposte riguardano l'ascolto alla lunghezza d'onda di 17 cm, ovvero quella tipica dell' ossidrile , oppure a multipli e divisori di queste lunghezze d'onda [49] .

Il progetto SETI non si è limitato ad ascoltare, ma ha anche tentato di inviare messaggi. Nel 1974, dall'omonimo radiotelescopio, venne inviato il messaggio di Arecibo : una trasmissione radio della durata di 3 minuti verso l' ammasso stellare M13 , a circa 25000 anni luce di distanza, alla frequenza di 2381 MHz [50] . Il messaggio rappresenta alcuni aspetti significativi della vita umana: i numeri da 1 a 10, i numeri degli elementi atomici alla base della vita, la formula chimica del DNA , il numero di nucleotidi nel DNA, una rappresentazione dell'elica dello stesso DNA, la figura stilizzata di un essere umano, il numero di esseri umani sulla Terra all'epoca, una schematizzazione del Sistema solare e una rappresentazione schematica del radiotelescopio di Arecibo. Il tutto è interamente scritto in codice binario , poiché si suppone che una civiltà dotata di tecnologia conosca tale sistema numerico. Essendo l'ammasso M13 così lontano, non è possibile aspettarsi una risposta, sempre che qualcuno riceva il messaggio, prima di 50000 anni. Quindi, l'invio di questo messaggio fu più un atto simbolico che un reale tentativo di comunicazione con civiltà aliene.

Messaggi su sonde spaziali

Gli esseri umani hanno fatto altri tentativi di comunicazione oltre al messaggio di Arecibo . Nel 1972 e nel 1973 vennero lanciate dalla NASA le sonde Pioneer 10 e Pioneer 11 rispettivamente, entrambe dirette all'esplorazione del Sistema solare , in particolare di Giove e Saturno . Completata la loro missione, entrambe furono spedite su orbite che le avrebbero portate fuori dal Sistema solare stesso. Su di queste vennero piazzate due piastre di alluminio anodizzato in oro (15,24 x 22,96 cm) [49] recanti alcune immagini significative, nella speranza che una civiltà intelligente le possa un giorno trovare ed interpretare. Tra queste, spicca la rappresentazione della posizione della Terra rispetto alle pulsar più vicine, con i rispettivi periodi espressi nel sistema binario.

Una cosa molto simile è stata fatta per le sonde Voyager 1 e Voyager 2 , lanciate ne 1977 e dirette verso l'esplorazione di Giove , Saturno , Urano e Nettuno . Queste recano dei dischi microsolco dorati , a lettura meccanica come i dischi fonografici in vinile , contenenti sia immagini che suoni rappresentativi del nostro pianeta e della nostra cultura, tra cui messaggi in 55 lingue, 35 suoni umani e 27 opere musicali [50] .

Protocollo SETI - post scoperta dell'ONU

Nel caso in cui un osservatorio rilevi un segnale che potrebbe essere stato inviato da una civiltà intelligente, esiste una ben precisa procedura da seguire [48] [18] Questo è il Protocollo SETI di post-rilevazione [51] . La persona che rileva tale messaggio è tenuto ad informare altri osservatori, i quali hanno il compito di studiare il segnale per confermare o smentire la possibile origine aliena. In caso di smentita, l'origine è da ritenersi temporaneamente sconosciuta. In caso di conferma, bisogna informare l'Ufficio Telegrammi Astronomici dell' Unione Astronomica Internazionale , il Segretario Generale dell' ONU , i principali organismi di telecomunicazioni e le agenzie spaziali. In seguito, l' Unione internazionale delle telecomunicazioni di Ginevra ha il compito di minimizzare le trasmissioni alla frequenza a cui è stato rilevato il segnale, per facilitarne lo studio. L'Unione Astronomica Internazionale ha il compito di informare il mondo scientifico e, in seguito, tutti i Paesi del mondo. L'ONU deve quindi nominare una speciale commissione, il cui compito è decidere se e come rispondere. Poiché un'eventuale risposta deve essere rappresentativa di tutta la razza umana, la decisione deve godere di ampio appoggio internazionale.

Paradosso di Fermi

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Paradosso di Fermi .

Nonostante più di mezzo secolo di ricerche SETI, nessun segnale da parte di una intelligenza extraterrestre è mai stato captato. Questo comporta una riflessione che è detta Paradosso di Fermi. Il paradosso di Fermi , che pare sia stato formulato dal fisico Enrico Fermi negli anni cinquanta , è riassumibile con la frase: «Se la nostra galassia pullula di civiltà extraterrestri, come mai non siamo ancora entrati in contatto con esse?».

Questo paradosso si collega al dibattito relativo all' equazione di Drake , la quale rappresenta una stima del numero di civiltà intelligenti e in grado di comunicare nella Via Lattea . Non esiste un valore ufficiale per questa stima, poiché il risultato dipende fortemente dalle assunzioni fatte. Gli scettici fanno assunzioni tali per cui il risultato è che la nostra deve essere l'unica civiltà intelligente nella galassia. Gli ottimisti arrivano a stimare anche molte migliaia di civiltà in grado di comunicare (fra questi, spicca il noto autore di fantascienza e divulgatore scientifico Isaac Asimov [49] ). In quest'ottica, il paradosso di Fermi viene visto come un'argomentazione a sostegno dell' ipotesi della rarità della Terra : il fatto che l'umanità non sia ancora entrata in contatto con nessuna civiltà aliena deve implicare che non esista nessuna civiltà all'infuori della nostra. Il ragionamento è di per sé fallace, in quanto l'assenza di prove non è una prova dell'assenza di qualcosa. Tuttavia, questo offre diversi spunti di riflessione riguardo al dibattito sulla possibile esistenza di forme di vita aliene.

Ci sono comunque diverse possibili soluzioni a questo paradosso (a parte quella secondo cui l'umanità è l'unica civiltà intelligente nella galassia). Per esempio, potrebbe darsi che le civiltà intelligenti abbiano vita breve (i motivi possono essere diversi, anche se occorre definire cosa si intende esattamente per "breve") e quindi ne sono esistite alcune nel passato oppure ne esisteranno altre nel futuro con cui non potremo entrare in contatto. Si può anche ipotizzare che esistano altre civiltà ma che le distanze interstellari siano troppo grandi per consentire qualunque tipo di spostamento o di comunicazione efficace per mancanza di energia sufficiente. Oppure ancora, queste potrebbero esistere ma non essere interessate al comunicare, per motivi etici o religiosi di rifiuto della tecnologia o perché vivono in ambienti sotterranei o subacquei, oppure ancora perché usano forme di comunicazione diverse dalle onde radio. Infine, esse potrebbero effettivamente comunicare ma in una maniera che non possiamo recepire o comprendere.

Incontri tra civiltà diverse

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Colonizzazione europea delle Americhe .

Nel corso della storia umana, ci sono stati innumerevoli casi di incontri tra una civiltà più evoluta e una più primitiva, e quest'ultima ha sempre avuto la peggio. Un primo esempio è la deportazione e il confinamento in riserve e lo sterminio dei nativi del Nord America ad opera degli Europei. Vi è poi il caso degli spagnoli e dei portoghesi che hanno conquistato le popolazioni dell' America Centrale e Meridionale , tra cui i Maya , gli Aztechi e gli Incas , sfruttandone le risorse e cancellando la maggior parte delle testimonianze della loro civiltà. Gli Aztechi o Tenocha e gli Incas avevano a loro volta conquistato e cancellato culture precedenti insediatesi nei territori conquistati. Destino simile venne riservato agli aborigeni australiani , sempre ad opera gli europei. Stragi involontarie sono state causate da epidemie di morbillo o altre malattie a cui gli occidentali sono resistenti o vaccinati che sono entrati in contatto, sia pur con buone intenzioni, con popolazioni isolate che non avevano mai avuto contatto con altri popoli [52] .

In quest'ottica, viene da chiedersi se sia effettivamente auspicabile l'incontro con un'eventuale civiltà aliena tecnologicamente molto avanzata. Il rischio è, appunto, quello di essere sterminati a causa della loro superiorità tecnologica oppure a causa degli agenti patogeni da essi trasportati. Un eventuale contatto diretto potrebbe portare nostra civiltà ad interrogarsi su molti aspetti religiosi, filosofici e scientifici.

Note

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