G. CutispotoINAF - Osservatorio Astrofisico di Catania

gcutispoto@oact.inaf.it

Scuola Estiva di Astronomia

Stilo (RC) – 23 Luglio 2014

La vita nel Sistema Solare

…. e non solo

Alcuni interrogativi sulla vita…

Sappiamo ‘’veramente’’ cos’è la vita ?

Conosciamo o potremo mai prevedere ‘’tutte’’ le condizionidove può svilupparsi la vita ?

Se le condizioni sono del tutto ‘’favorevoli’’, la vita sisviluppa sempre e fino a che ‘’livello’’ ?

La vita sulla Terra: tempi di evoluzione

- 4.5 miliardi: nasce la Terra

- 4 miliardi: prime rocce solide

- 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti

(tempi in anni dall’epoca attuale)

- 3.5 miliardi: primi batteri età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni

- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gliantenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra

- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis)

- 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens

La vita sulla Terra: fino a quando ?

Pericoli ‘’astronomici’’ Impatti ‘’Evoluzione’’ del Sole Interferenza gravitazionale tra stelle Scontri tra galassie Supernova vicina

Pericoli ‘’non astronomici’’ Stabilità/durata di una civiltà tecnologicamente evoluta

e sua influenza sull’abitabilità complessiva del pianeta

Quale vita ? Forme ‘’elementari’’ Organismi ‘’complessi’’ Civiltà ‘’tecnologiche’’

Il Sistema SolareSole

Pianeti (Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno)

Corpi Minori (Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete)

Terra

Distribuzione della massa: Sole: 99.85 % Pianeti: 0.13 % Corpi Minori: 0.02 %

Le orbite dei pianeti

Sole

Mercurio

Venere

Terra

MarteGiove

Nettuno

Saturno

Urano

149.597.870 km = 1 UA

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Fascia di abitabilitàE’ la regione entro laquale un pianeta ha unatemperatura tale dapoter mantenerel’acqua allo statoliquido sulla suasuperficie

La composizione dell’atmosfera del pianeta gioca un ruolo fondamentale

Sulla Terra l’effetto serra innalza la temperatura media da -21 C a +15 C

Fasce di abitabilità “non convenzionali”

Marte

Europa

Encelado

Quali forme di vita sono possibilinelle fasce ‘’non convenzionali’’ ?

Gli Asteroidi (o “Pianetini”)

Fascia degli Asteroidi

Orbitano principalmente traMarte e Giove (fascia degliAsteroidi, 2.1-3.3 UA)

Il più grande è Cerere(diametro = 933 km) scopertonel 1801

La loro massa totale è di circa1/1000 la massa della Terra

Se ne conoscono oltre 100.000,ma si stima che ne esistanoalmeno un milione con diametromaggiore di 1 km

Orbita di Giove

Orbita di Marte

Orbita della Terra

Eros

33x13x13 km

Mathilde Gaspra Ida

59x47 km 19x12x11 km 58x23 km

Le “fasce” di Asteroidi

· Sole Terra MarteGiove

Nettuno

Plutone

Saturno

Urano

Giove

Fascia degli Asteroidi

Fascia di Kuiper

La Fascia di Kuiper (30-50 UA)potrebbe contenere 100.000 corpicon D > 100 km e avere una massatotale dell’ordine di 1/10 MTerra;attualmente si conoscono oltre 800KBO, il più grande dei quali è Eris

Cerere

Nube di Oort

Si stima contenga 1.000 miliardi di comete, la cui massa totale

potrebbe essere dell’ordine della massa di Giove

E’ la regione più esterna del Sistema Solare

Si estende fino a circa 50.000 UA

(Distanza di a Cen = 270.000 UA)

West (1976)

Swift-Tuttle (1992)

Hyakutake (1996)

Le Comete

Conosciute ~ 4200 Periodiche ~ 480 (P < 200 anni)

Origine: Fascia di Kuiper (breve periodo)Nube di Oort (lungo periodo)

NComete ~ 1012; MComete ~ MGiove

NEA e PHA

TerraNEAPHA

I NEA hanno orbite condistanza minima dal Sole(perielio) minore di 1.3 UA,quindi possono avvicinarsinotevolmente alla Terra

Quelli che si avvicinano ameno di 0.05 UA dallaTerra sono detti PHA

Crateri da impatto

Luna

(faccia “nascosta”)

Mimas

Mercurio

Ganimede

La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)

La Terra, gli Asteroidi e le Comete

x 100

x 𝟏

𝟑

Una frazione del tuttotrascurabile (6.7 10-18) dellamassa della Terra

La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)

La Terra, gli Asteroidi e le Comete

Dimensioni Frequenza Effetti

1 cm 10 / h meteore 2 cm 1 / h si disintegrano nell’atmosfera

4 m 10 / anno meteoriti10 m 1 / anno possono raggiungere la superficie

9 Ottobre 1992massa iniziale delmeteorite ~ 12 ton

Meteor Crater

Wolf Creek (Australia)età ~ 300.000 anni Diametro = 850m

Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati

Diametro del meteorite = 25-30 m Velocità di impatto ~ 13 km/s

Diametro = 1186 m Profondità = 200 m Età = circa 49.000 anni

Tunguska - 30 Giugno 1908

Asteroide (o Cometa), con un diametrodi circa 60 m, esploso a 6 km dal suolo

La distruzione fu totale in un raggio dicirca 30 km (energia liberata ~ 5 MT)

Il boato generato dall’esplosione fuavvertito fino a Londra (20.000 km)

P = 1/1.000 anni

Dimensioni Frequenza Effetti100 m 1 / 10.000 anni distruzioni su scala “locale”

1 km 1 / 1.000.000 anni distruzioni su scala “planetaria”

10 km 1 / 50.000.000 anni estinzioni di massa

Le estinzioni di massa

Ne sono state identificate almeno 5;si pensa che sono state causate dagrandi catastrofi naturali o danotevoli e rapidi cambiamenti climatici

Sono eventi improvvisi che comportano una notevole riduzione dellespecie viventi

Hanno luogo su tutto il pianeta

Coinvolgono un gran numero di specie anche molto diverse tra loro

Avvengono in un lasso di tempo “breve”

Tardo Ordoviciano (-438)

Tardo Devoniano (-360)

Fine Permiano (-245)

Tardo Triassico (-208)

Fine Cretaceo (-65)

L’estinzione dei Dinosauri

Questa estinzione di massa (estinzione K-T) segnò il passaggiodall’era dei rettili a quella dei mammiferi

Da cosa è stata causata ?

Teorie proposte:

Effetto serra (eruzioni vulcaniche)

Cambiamenti climatici (variazione dell’orbita della Terra)

Teoria “dell’impatto”

I dinosauri si sono estinti alla fine del Cretaceo e insieme con essiscomparvero circa il 65% di tutte le specie animali e vegetali presentisulla Terra (in particolare tutte le forme di vita non acquatiche di pesosuperiore ai 30 kg)

Ipotizza che 65 milioni di anni fa la Terra sia stata colpita da un“Asteroide” o da una “Cometa” con diametro di circa 10 km

La teoria “dell’impatto”

La conseguenza fu l’estinzione di massa K-T, nel corso della qualescomparvero circa il 65% delle specie allora presenti sulla Terra

La teoria, proposta nel 1980 da Luis e WalterAlvarez, si basa sullo studio dei depositisedimentari (lo strato “K-T”) databili tra lafine del Cretaceo e l’inizio del Terziario (circa-65 milioni di anni)

Lo strato K-T mostra un’elevata concentrazione di Iridio (Ir), unelemento rarissimo nella crosta terrestre ma molto abbondante neimeteoriti, Biossido di Silicio e Tectide, forme di quarzo che si creanosolo in presenza di alte temperature e pressioni e Ceneri di originevegetale (per oltre 70 miliardi di tonnellate)

Lo strato K-T si trova in tutte le regioni della Terra e nessun fossiledei grandi dinosauri è mai stato trovato al di sopra di esso

Il “Dino-Killer”

Dimensioni Energia “x Hiroshima”

100 m 50 MT 3500

1 km 50.000 MT 3,5 milioni

10 km 50 milioni MT 3,5 miliardi

Cratere di Chicxulub

(Yucatan – Messico)

Età ~ 65 milioni di anni

Diametro ~ 180 km

Dimensioni Asteroide ~ 14 km

Collaborazione internazionale per l’identificazione e lo studio dei ‘’NearEarth Asteroids’’ (NEA) e in particolare dei “Potentially HazardousAsteroids” (PHA), corpi più grandi di 150 m che possono avvicinarsi allaTerra a meno di 7.480.000 km (= 0.05 UA)

E’ molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m

Si pensa ne esistano circa 50.000

NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking system)

Fino ad oggi sono stati scoperti 11136 NEA, di questi 862 hanno undiametro maggiore di 1 km

I PHA attualmente conosciuti sono 1492 (154 hanno un diametromaggiore di 1 km), tra questi il più “pericoloso” è Apophis (D ~ 390 m),che potrebbe colpire la Terra nel 2036 (molto più probabilmente saràdeviato nel prossimo passaggio in prossimità della Terra, 36350 km,del 13 Aprile 2029)

http://neo.jpl.nasa.gov/neo/

Alla categoria degli ‘’imprevedibili’’apparteneva il corpo esploso inatmosfera nei pressi della cittàrussa di Chelyabinsk la mattina del15 Febbraio 2013

Il più importante evento registratodopo quello di Tunguska del 1908

L’asteroide aveva un diametro di 17 m e un peso di 10000 tonnellate; lasua velocità di ingresso in atmosfera è stata stimata in 25000 km/h edè esploso a 25 km di altezza

L’energia rilasciata: 470 kT (~ 30 Hiroshima ~ 1/11 Tunguska)

E’ abbastanza singolare che questo l’evento si sia verificato lo stessogiorno in cui l’asteroide 2012 DA14, un corpo con diametro di 55 m, èpassato a 28.600 km di altezza dalla superfice terrestre

Il meteorite di Chelyabinsk

2012 DA 14 2012 DA14 è stato scoperto il 23 febbraio 2012

Ha un diametro di 55 metri e una massa di circa 1.3 ∙ 108 kg

Il suo periodo orbitale è di 314 g

Il 15 Febbraio 2013 è passato a soli 28.600 km dalla superficeterrestre (ben al di sotto della fascia dei satelliti geostazionari)

Asteroide Data Distanza (LD) Diametro

2002 JN 97 2 Agosto 61.4 2.0 km

2001 RZ 11 17 Agosto 34.2 2.2 km

2013 WT 67 17 Agosto 16.1 1.1 km

2013 RZ 53 9 Settembre 1.9 3 m

2002 CE 26 9 Settembre 47.9 1.8 km

2009 RR 16 Settembre 2 34 m

2006 GQ 2 19 Settembre 65.9 1.1 km

1 LD = 384.400 km http://spaceweather.com/

Siamo certi che uno ci colpirà, che fare ?

Cattiva notizia: più sono grandi più sono pericolosi

Cattiva notizia: tutto quello che avete visto nei film NON funziona(non potete piazzarvi sopra un asteroide e fare un buco….)

Due idee:

Aumentare il flusso di radiazione solare riflessa

(dipingerli di bianco)

‘’Spingerli’’ fuori traiettoria

Buona notizia: più sono grandi più sono rari e più tempo avremo

Buona notizia: non dovete deviarli ‘’molto’’ o distruggerlicompletamente, l’importante è non ci colpiscano

Pericoli ‘’astronomici’’ per una civiltà

TerraNEAPHA

E’ certo che la vita sulla Terra, nel suoinsieme, è stata capace di superare, forsepiù volte, gli effetti dovuti a alla caduta digrandi asteroidi

L’umanità sembrerebbe ‘’pronta’’ per poter sopravvivere all’impatto sullaTerra di un grande (D > 10 km) corpo proveniente dallo spazio Conoscenza anticipata dell’evento Possibilità di deviare la traiettoria del corpo

Per la sopravvivenza di una singola specie (per esempio NOI) è tuttaviaun pericolo da tenere in considerazione

Impatto di asteroidi

Potrebbe però verificarsi un aumento degli oggetti ‘’in ingresso’’ dallanube di Oort a causa di una passaggio ravvicinato di una stella

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Tra circa 5 109 anni il Sole si evolverà in “Gigante Rossa”

La temperatura sulla Terra diventerà troppo elevata e la fascia di abitabilità si sposterà verso le regioni più esterne del Sistema Solare Il Sole tra

5 miliardi di anni Nota: l’espansione del

Sole avverrà in due fasi distinte, alla fine della seconda il suo raggio sarà di circa 172·106 km, ma poiché avrà perso il 30% della sua massa iniziale l’orbita della Terra avrà un raggio di 220·106 km

L’evoluzione del Sole

Nota: la collisione tra due galassie nonporta alla distruzione di stelle, alcontrario si osserva un aumento neltasso di formazione stellare; sono isistemi planetari, non le stelle, chepossono risultare distrutti

Può essere causato dal passaggio ravvicinatodi due stelle; nella nostra posizione nellaGalassia si stima possa accadere in 1015 anni

Per molti sistemi planetari dellaGalassia questo tempo risulteràdecisamente più breve, a causadella collisione con la galassia diAndromeda che avrà luogo tracirca 4.5 · 109 anni

Distacco di un pianeta dalla sua stella

La posizione del Sole nella Galassia

Le regioni centrali di una galassia a spirale sono molto ricche distelle, quindi di elementi pesanti, ma sono anche “pericolose”(Supernovae, interazioni tra stelle)

Localizzazione degli “elementi pesanti” e rischio Supernova

Le regioni esternesono troppo povere dielementi pesanti

Le regioni intermediesembrano offrire lemigliori condizioni

Il Sole dista circa 30.000anni luce dal centro della“Via Lattea”; è la regionepiù adatta per l’esistenzadi pianeti abitabili

Pericoli ‘’interni’’ per una civiltà (umana)Il progresso tecnologico ha favorito un deciso miglioramento (nonuniformemente distribuito) di vari aspetti della vita umana: Aumento della durata della vita (triplicata nell’ultimo millennio) Miglioramento della qualità complessiva della vita

Diverse sono le ‘’ricette’’ che i varigoverni adottano a fronte delleevidenze scientifiche sui problemilegati allo sviluppo

Vanno inoltre considerati gli effettidovuti alle instabilità politiche, la cuicausa sta anche distribuzione ancoratroppo disuniforme della ricchezza edelle risorse

Ma un progresso illimitato è possibile e/o sostenibile ?

Aumento della popolazione mondiale Eccessivo sfruttamento delle risorse Aumento dell’inquinamento / Riscaldamento globale

Estinzioni nell’era moderna (Antropocene)

La possibilità che la vita sulla Terra stia sperimentando un’estinzione dimassa è un tema molto dibattuto nel mondo scientifico, le cause diquesta estinzione sarebbero la presenza e l’attività umana

L’influenza dell’uomo sul clima è cominciata 10.000 anni fa, con lanascita dell’agricoltura nell’attuale Iraq

Da allora le attività umane hanno avuto come risultato l’immissione inatmosfera di sempre maggiori quantità di gas serra

Nell’ultimo secolo per uccelli e mammiferi si stima un numero diestinzioni pari a 1/100 delle specie esistenti, contro valori massimidell’ordine di 1/10.000 per le epoche lontane dalle estinzioni di massa

La vendetta di Gaia – è stata avanzata l’ipotesi che la Terra è unsistema (Gaia) che si comporta come un essere cosciente,autoregolandosi per consentire le condizioni di vita migliori; realizzatal’impossibilità di riparare i danni provocati dall’uomo Gaia ha lanecessità di eliminarlo

Esistono altri Sistemi Solari e altri pianeti abitati ?

E’ un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico

Le prime intuizioni sulla “pluralità dei mondi”, e sull’esistenza di vitaintelligente su altre “terre”, risalgono alla civiltà ellenistica(Aristarco, Democrito, Epicuro: “Esistono infiniti mondi sia uguali che diversidal nostro. Dobbiamo credere che in tutti questi mondi esistono creature viventi e

piante e le tante altre cose che vediamo in questo mondo” )

Ma Aristotele disse: “Non può esistere che un solo mondo”

Oggi sappiamo che la Via Lattea contiene circa 200 miliardi di stelle e chenell’Universo esistono almeno 100 miliardi di galassie

Nel 1584 Giordano Bruno sfida le concezioni filosofiche e religiosedell’epoca riproponendo l’idea di altri pianeti abitati (“Esistonoinnumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli […] Vediamo solo lestelle perché sono i corpi più grandi e sono luminosi, mentre i loro pianeti rimangonoinvisibili perché sono più piccoli e non luminosi. Gli altri mondi nell’Universo non sono népeggiori né meno abitati della nostra Terra’’)

I pianeti extrasolari

1995 .......... 51 Pegasi b (metodo delle RV)

1999 .......... HD 209458 (metodo dei transiti)

Luglio 2014 .......... 1811 pianeti extrasolari noti (vari metodi)

1126 sistemi planetari (466 sistemi multipli)

aminimo = 0.006 UA amassimo > 115 UA

Pminimo = 0.24 giorni Pmassimo > 875 anni

Mminima < MTerra

Rminimo < RTerra

Scoperte ‘’inaspettate’’:1. Hot Jupiters2. Elevata metallicità delle stelle con pianeti3. Sistemi multipli con orbite eccentriche4. Pianeti in orbita intorno a binarie5. Orbite retrograde

Massa e “stabilità” del Sole

Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg

0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole

Per lo sviluppo della vita su un pianeta è essenziale che il flusso diradiazione incidente (= temperatura) sia “costante”, ovvero che lastella attorno a cui orbita il pianeta sia “stabile”

L

nucleo

Il Sole produce energia nel nucleo conreazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogenosi trasforma in Elio

Questa “fase evolutiva” del Sole ha unadurata di 10 miliardi di anni

Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvonotroppo rapidamente

Se M = 2.5 · MSole l’idrogeno nel nucleo siesaurisce dopo 1 miliardo di anni

HR 8799HR 8799 eM = 9·MGiove

P = 49 annia = 14.5 U.A.

HR 8799 dM = 10 ·MGiove

P = 100 annia = 24 U.A.

HR 8799 cM = 10 ·MGiove

P = 189 annia = 38 U.A.

HR 8799 bM = 7·MGiove

P = 465 annia = 68 U.A.

Immagine ottenuta con il telescopio Keck

Kepler 22 bPrimo pianeta di tipo terrestrein orbita intorno ad una stelladi tipo solare all’interno dellafascia di abitabilità

RKepler 22b = 2.4 RTerra

PKepler 22b = 290 giorni

MKepler 22b = 35 MTerra

Kepler 62 Sistema di cinque pianeti, duedei quali all’interno della fasciadi abitabilità, attorno a unastella di tipo K2 V

RKepler 62f = 1.4 RTerra

PKepler 62f = 267 giorniMKepler 62f = 35 MTerra

RKepler 62e = 1.6 RTerra

PKepler 62f = 122 giorniMKepler 62f = 36 MTerra

Kepler 186 Sistema di cinque pianeti,attorno a una stella di tipo M1V

PKepler 186a = 4 gPKepler 186b = 7 gPKepler 186c = 13 gPKepler 186d = 22 gPKepler 186f = 130 g

Stime “ottimistiche”: 1000 Dmedia 2.200 a.l.

Problema della “distanza”

Problema della “contemporaneità”

Quante civiltà “evolute” in una galassia ?

Stime “pessimistiche”: 1

L’equazione di Drake

N = numero di civiltà in grado di comunicare in una galassia; S = numero totale di stelle nella galassia;fs = frazione di stelle con sistemi planetari; n = numero medio di pianeti adatti per lo sviluppo dellavita; fn = frazione di pianeti abitabili su cui la vita effettivamente si sviluppa; fi = probabilità chel’evoluzione produca civiltà ‘’evolute’’; fc = frazione delle civiltà evolute che cercano (o sono in grado) dicomunicare; L = intervallo di tempo durante il quale una civiltà è in grado di comunicare

N = S fs n fn fi fc L

fifcL

Darwin

Sarà costituito da una flotta di

5-8 navette in “constellation

flight”:

- 3-6 telescopi IR da 3-4m

- 1 telescopio collettore (HUB)

- 1 navetta di comunicazione

Come potere risolutivo sarà equivalente a untelescopio con diametro di alcune centinaia dimetri

Potrà fornire immagini di sistemi planetari edanalizzare la luce dei pianeti

E’ una missione finanziata (?) dall’ESA

Simulazione di un’immagine Darwin

La luce proveniente dal Sole è soppressasfruttando l’interferenza distruttiva

Venere, la Terra e Marte visti da 30 anni luce

Terra

Venere

Marte

Darwin potrà ottenere gli spettri della luceriflessa dai pianeti

La presenza simultanea di H2O, O3 eCO2 è ritenuta una chiara evidenzadella presenza di processi biologici

Grazie per la vostra attenzione

G. Cutispotogcutispoto@oact.inaf.it

INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania