Zona Abitabile: La Fascia dove 40 Miliardi di Terre Potrebbero Nascondersi

I dati del telescopio spaziale Kepler, annunciati il 4 novembre 2013, indicavano all'incirca 40 miliardi di mondi delle dimensioni della Terra che potrebbero orbitare all'interno delle zone dove l'acqua liquida potrebbe sopravvivere attorno a stelle simili al Sole e nane rosse sparse attraverso la Via Lattea. Questo singolo numero ha riconcettualizzato come gli astronomi parlano della nostra galassia — non come una dispersione di stelle, ma come un campo denso di posti dove l'acqua liquida potrebbe plausibilmente accumularsi su una superficie rocciosa.

La zona abitabile stessa è un'idea ingannevole semplice: l'intervallo di distanze da una stella dove un pianeta potrebbe essere abbastanza caldo da contenere acqua liquida ma non così caldo che bolle. Sembra una geometria di base, ma la vera scienza è più complicata — l'atmosfera di un pianeta, la sua orbita, e il temperamento della stella stessa spingono i confini attorno. Questa guida illustra da dove viene l'idea, cosa predice effettivamente, e dove si rompe.

Il termine zona abitabile probabilmente è apparso per la prima volta nel 1913, nel libro Are The Planets Inhabited? dell'astronomo Edward Maunder — decenni prima che chiunque avesse confermato un singolo pianeta oltre il nostro sistema solare. Maunder ragionava da principi primi: la temperatura di un pianeta dipende dalla sua distanza dalla sua stella, quindi dovrebbe esserci una fascia dove quella temperatura consente l'acqua liquida.

La versione moderna del concetto, quella che gli astronomi effettivamente usano oggi, è stata proposta nel 1959 dall'astrofisico Su-Shu Huang, che l'ha costruita attorno ai vincoli climatici che una stella madre impone su qualsiasi pianeta che l'orbita. Il framework di Huang è il motivo per cui la frase "zona abitabile" appare ora in quasi ogni annuncio di scoperta di esopianeti — fornisce a reporter e ricercatori un abbreviazione rapida per "questo pianeta è all'incirca alla giusta distanza".

Kepler-452b è uno degli esempi più chiari dell'idea in azione. Orbita la sua stella a 1,04 UA (156 milioni di km) — quasi esattamente la distanza della Terra dal Sole — completando un'orbita ogni 385 giorni, con un raggio circa 1,63 volte quello della Terra e una massa almeno tre volte quella della Terra. Quello che lo rende ancora più straordinario è il tempo: Kepler-452b ha trascorso la maggior parte della sua esistenza dentro la zona abitabile della sua stella, poco più di sei miliardi di anni e contando, più a lungo di quanto la Terra esista.

Non ogni pianeta in zona abitabile orbita una stella come il Sole. La temperatura effettiva di TRAPPIST-1 è solo 2.566 K (2.293°C); questo la rende, a partire dal 2022, la stella più fredda conosciuta per ospitare pianeti — un promemoria che la zona si sposta verso l'interno, non verso l'esterno, attorno a stelle deboli e fredde. E la ricerca non è limitata a sistemi piccoli e tranquilli: 55 Cancri f è stato trovato orbitare all'interno della zona abitabile della sua stella, 55 Cancri A, parte di un sistema che è diventato l'unico oltre al nostro noto per ospitare cinque pianeti. Il sistema 55 Cancri si trova a 41 anni luce di distanza e risuona la forma del nostro sistema solare — quattro pianeti stretti insieme e un mondo gigante più lontano — eppure non ha controparte alla Terra o a Marte. Quel quinto pianeta, 55 Cancri f, è circa metà della dimensione di Saturno, almeno 45 volte la massa della Terra, e completa un'orbita a 0,785 UA ogni 260,8 giorni — un gigante gassoso dove un mondo roccioso avrebbe potuto essere atteso.

Essere nella zona abitabile non dice nulla su di cosa è effettivamente fatto un pianeta, ed è qui che i dati di densità diventano essenziali. Nell'intera popolazione di esopianeti conosciuta, la densità raggiunge il picco a 7,6 grammi per centimetro cubo per pianeti intorno a 1,4 raggi terrestri — più densi, a quella dimensione, di quasi tutto il resto nel censimento. Oltre circa 1,5 raggi terrestri, tuttavia, la densità del pianeta cala rapidamente, un segno che questi mondi portano uno spesso strato di volatili su un nucleo roccioso piuttosto che essere roccia tutto il modo attraverso. Un pianeta in zona abitabile che sembra delle dimensioni della Terra sulla carta potrebbe, in pratica, essere un piccolo mondo gassoso senza una superficie solida.

Stimare quanto comuni siano questi pianeti è stato un bersaglio mobile. Uno studio del 2013 di Dressing e Charbonneau ha usato i dati Kepler per calcolare che le stelle fredde portano circa 0,15 pianeti in zona abitabile delle dimensioni della Terra per stella. Una successiva rianalisi ha aumentato quella stima a 0,48 a 0,53 pianeti in zona abitabile per nana rossa, a seconda di quanto conservativamente vengono tracciati i bordi della zona — più di tre volte la cifra originale, solo da aggiustare gli assunti su dove inizia e finisce la zona. Quella oscillazione è una lezione utile: la zona abitabile non è una linea fissa, universalmente concordata, è una stima funzionante che cambia quando i modelli migliorano.

Anche un pianeta seduto nel mezzo geometrico della zona abitabile della sua stella dipende da quella stella che si comporta prevedibilmente. Il Sole stesso rimane notevolmente stabile, con la luminosità totale che si sposta solo dello 0,1% attraverso il suo ciclo di attività solare di circa 11 anni — un'oscillazione molto più gentile di quella vista in stelle che pulsano e brillano molto più violentemente, e una gran parte del motivo per cui il clima della Terra è rimasto abitabile nel corso del tempo geologico. La stabilità non è garantita, tuttavia, e la sua assenza lascia un segno: una pausa di 70 anni nelle macchie solari chiamata Minimo di Maunder, che si estende dalla fine del 17° e l'inizio del 18° secolo, è stata collegata al tratto più freddo della Piccola Era Glaciale, quando l'Europa e il Nord America hanno sopportato inverni brutalmente freddi. I piccoli oscillamenti di un'stella nella sua luminosità possono spingere il clima di un intero pianeta per generazioni.

La zona abitabile è solitamente disegnata come un anello pulito, ma pochi pianeti effettivamente la percorrono su un percorso circolare. Le eccentricità orbitali misurate degli esopianeti hanno sorpreso i ricercatori: il 90% è più eccentrico di qualsiasi cosa nel Sistema Solare, e l'eccentricità media è 0,25. Un pianeta su un'orbita allungata, ellittica può oscillare dal bordo esterno della zona abitabile al bordo interno e di nuovo nel corso di un singolo anno, trasformando una "zona" che sembra stabile in una cavalcata molto più dura, più variabile.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability