Forse c’è acqua liquida sotto il polo sud di Marte

Un gruppo di astrofisici italiani, guidati da Roberto Orosei, ha trovato delle evidenze che suggeriscono la presenza di un lago di acqua a -70°C sotto il ghiaccio del polo sud di Marte.

Detta così sembra assurda: Marte, acqua, addirittura acqua liquida a -70°C. Come è possibile? Se avete un po’ di pazienza, vi racconto tutto quello che dovete sapere. Seguitemi.

Lo strumento di misura: il radar MARSIS della sonda ESA Mars Express

Per questa ricerca scientifica gli astrofisici hanno usato i dati della sonda ESA Mars Express. Più in dettaglio, hanno usato un radar che si trova a bordo di Mars Express: questo radar si chiama MARSIS.

MARSIS è un radar e, come tutti i radar, usa le onde elettromagnetiche, anzi onde radio tipicamente, con frequenze dell’ordine del megahertz, per determinare la posizione di qualcosa. Il meccanismo è abbastanza semplice, in linea teorica: il radar spara onde radio verso un oggetto; poi le onde vengono riflesse dall’oggetto e tornano indietro al radar, dove uno strumento le riceve.

Siccome le onde radio (in quanto anch’essere luce) si muovono a una velocità ben precisa, cioè 300 mila km al secondo, allora se si misura il tempo trascorso tra la loro emissione e la successiva ricezione, ecco che si ottiene una misura della distanza di un oggetto. Questo è il principio base del radar. È un po’ il meccanismo dell’eco: solo che qui, anziché avere a che fare con le onde sonore, abbiamo a che fare con le onde elettromagnetiche.

Ora, senza entrare nei dettagli, una cosa interessante da capire è che le proprietà delle onde radio che partono dal radar, quando tornano indietro, possono avere proprietà diverse: le differenze dipendono dalla superficie che riflette le onde. Tutto ciò può essere misurato, certo: e inoltre, da queste misure, si riesce a capire quale materiale riflette le onde radio.

Il radar MARSIS funziona proprio così. Guardate l’immagine qui sotto.

 

 

MARSIS ha inviato e ricevuto onde radio nella zona del polo sud di Marte per diversi anni, dal 2012 al 2015.

Al polo sud di Marte (come al polo nord) c’è una calotta composta per il 70% di ghiaccio d’acqua (tra le altre cose, parte della calotta è anche anidride carbonica che, da gas, ghiaccia direttamente nei mesi di inverno marziano).

Le onde radio inviate dal radar MARSIS, con la frequenza necessaria, riescono a penetrare la calotta ghiacciata e quando incontrano la superficie di Marte sono riflesse. E, a seconda di quello che incontrano sulla superficie, sono riflesse in modo diverso: così capiamo che materiale le ha riflesse.

La potenziale scoperta: acqua liquida sotto il polo sud di Marte

Ecco: in questo modo che vi ho appena raccontato, in una determinata regione sotto al ghiaccio del polo sud, gli astrofisici guidati da Orosei hanno misurato che le onde radio emesse dal radar MARSIS sono riflesse da un materiale diverso dal solito: potrebbe essere acqua liquida.

Facciamo un piccolo passo in più e proviamo a guardare direttamente i dati studiati dagli astrofisici. Iniziamo dalla figura qui sotto: è un fotomontaggio che mostra come da un pezzo di superficie di Marte si è ottenuto un’immagine a prima vista bizzarra in bianco e nero.

 

Quell’immagine bizzarra a destra è ciò che ha misurato il radar. Visto così si capisce poco: meglio guardare un grafico come quelli di una volta.

La figura qui sopra fa vedere la bizzarra immagine in bianco e nero in alto e un grafico con due linee, una rossa e una blu, in basso.

Concentriamoci sul grafico in basso, per un attimo: la linea rossa è il segnale misurato dal radar quando riceve le onde radio riflesse dalla superficie della calotta ghiacciata del polo sud; la linea blu invece è il segnale misurato quando riceve le onde radio riflesse da ciò che c’è sotto la calotta ghiacciata.

Come potete vedere, la linea blu mostra un segnale molto forte tra i valori 45 km e 65 km (che sono solo coordinate: quindi la regione incriminate è grande circa 20 km). Quel segnale, inoltre, è compatibile con la riflessione di onde radio causata da una superficie fatta di acqua: ecco quella è la zona sotto il polo sud marziano dove si pensa ci sia l’acqua liquida.

Una cosa importante: il radar, come ogni strumento, ha dei limiti di osservazione, per esempio riguardo la risoluzione.

MARSIS è un radar che può osservare regioni di Marte grandi una decina di km, più o meno, ma non regioni più piccole. Il lago d’acqua scoperta da Orisei e il suo gruppo, come abbiamo visto, dovrebbe essere grande circa 20 km. Inoltre, secondo i dati l’acqua dovrebbe essere a una profondità di 1,5 km.

Quello che voglio dire è che magari esistono laghi più piccoli sotto la superficie di Marte, ma che MARSIS non può osservare, per ora, a causa della sua relativamente bassa risoluzione. Magari in futuro, un radar con una risoluzione più grande potrà essere in grado di scovare questi eventuali laghi più piccoli. Oppure, magari non ci sono altri laghi, chissà: comunque sia, solo così potremo avere un quadro più completo della situazione acquatica sotto la superficie di Marte.

Perché c’è acqua liquida sotto il suolo di Marte ma non in superificie?

Vediamo di capire perché. L’acqua è un composto chimico formato da un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Noi sappiamo che sulla Terra possiamo trovare l’acqua in tre forme: ghiaccio con temperatura minore di 0 °C, liquida tra 0 °C e 100 °C e infine vapore al di sopra dei 100 °C.

Tuttavia, Marte non ha lo stesso valore della pressione atmosferica che noi abbiamo sulla Terra. Da noi la pressione atmosferica, per definizione, diciamo che vale 1; mentre su Marte abbiamo la pressione atmosferica è lo 0,6% di quella terrestre.

Con una pressione così bassa, nell’intervallo di temperature per cui abbiamo acqua liquida sulla Terra, invece non abbiamo acqua liquida anche su Marte (anche se di giorno siamo sopra ai zero gradi).

Dunque su Marte non c’è acqua liquida perché la pressione atmosferica è troppo bassa.
Questo si può facilmente vedere anche dal grafico che segue:

Sull’asse orizzontale c’è la temperatura, sull’asse verticale c’è la pressione atmosferica.

Il grafico mostra quali condizioni di temperatura e pressione dovrebbero essere soddisfatte contemporaneamente per ottenere le varie fasi dell’acqua. In più, nel grafico ci sono due linee: una gialla per le condizioni che troviamo sulla Terra, una rossa per le condizioni che troviamo su Marte.

Dal grafico si vede bene che la linea di Marte non interseca la regione blu dell’acqua liquida. Questo vuol dire: su Marte non si trova acqua liquida, in condizioni standard. Dico “in condizioni standard” perché, come potete vedere, la linea rossa del grafico è davvero molto ma molto vicina alla regione blu che vuol dire acqua liquida. Ciò significa che, in particolari condizioni favorevoli di pressione, potrebbe essere possibile anche avere dell’acqua liquida (come trovato da Curiosity nel 2015, per esempio, anche se in quel caso ci sono diversi fattori in gioco).

Comunque, in generale, niente acqua liquida sulla superficie di Marte. Ma allora, se le cose stanno così, come fa a esserci acqua liquida sotto al polo sud di Marte? In realtà ci sono ancora due fattori che non abbiamo considerato.

Per prima cosa, il lago si trova sotto il ghiaccio del polo sud: questo vuol dire che la pressione è data dalla pressione del ghiaccio della calotta, quindi maggiore della pressione sul resto di Marte. Se la pressione sotto la calotta di ghiaccio è più alta di quella che c’è a cielo marziano aperto, allora possiamo immaginare di spostare la linea rossa “Mars” del grafico più verso l’alto, verso la linea gialla “Earth”. E, se alziamo la linea rossa un poco, allora questa linea finisce nella zona blu del grafico, quella per cui si creano le condizioni per avere acqua liquida.

Peccato però che, se le condizioni si avvicinano a quelle della Terra, allora per avere l’acqua liquida le temperature devono essere tra 0 °C e 100°C. Ma sotto la calotta di ghiaccio del polo sud, la temperatura è di circa -70 °C: come è possibile allora che ci sia acqua liquida?

Risposta: l’acqua deve essere allora salata, molto salata. Davvero molto, ma molto salata.

Questa è una cosa che possiamo vedere ogni volta che nevica: quale mezzo si attiva sulle nostre strade? Lo spargisale. E perché? Perché l’acqua salata non ghiaccia a 0 °C come l’acqua che beviamo, bensì diventa ghiaccio a una temperatura più bassa, qualche grado sotto lo zero.

Più l’acqua è salata, più la temperatura a cui diventa ghiaccio è bassa. Ecco come può esiste un lago di acqua liquida sotto un pezzo di calotta di ghiaccio, a -70 °C, al polo sud di Marte.

Vita su Marte?

Lo ammetto: ogni giorno internet è pieno di speculazioni riguardo gli oceani sotto la superficie di Encelado (luna di Saturno) ed Europa (luna di Giove): e se adesso abbiamo trovato l’acqua sotto la terra di Marte?

Beh, prima di tutto, aspettiamo: gli indizi sono buoni, ma la scoperta di questo lago marziano sotterraneo andrà studiata ancora più a fondo in futuro e con strumenti sempre più potenti.

Siamo proiettati sempre più a scoprire dettagli incredibili di Marte: se continuiamo con questo ritmo, dai, forse la prima forma di vita che vedremo su Marte sarà proprio quella degli esseri umani vestiti da astronauti.

Non sarebbe affatto male riuscire a essere testimoni di un’avventura così meravigliosa per tutti noi.

 

Per saperne di più

Articolo scientifico di Orisei et al.

Il commento su Science

La descrizione del radar MARSIS sul sito dell’ESA

 

Un neutrino ad alta energia emesso da una galassia attiva

Dunque, la notizia è stata annunciata il 12 luglio ed è questa: il 22 settembre 2017, il telescopio IceCube Neutrino Observatory ha osservato un neutrino ad alta energia che proviene da una direzione che è consistente con la galassia attiva TXS 0506+056.
Si tratta della prima volta che riusciamo a osservare dalla stessa galassia sia l’emissione di luce e sia l’emissione di neutrini.
Anzi, in realtà la scoperta è proprio questa: i neutrini ad alta energia sono prodotti nelle galassie attive.
Ora proviamo a capire meglio di cosa si sta parlando, almeno le cose essenziali (poi potete approfondire nei link a fine post). Proviamo a vedere insieme che cos’è un neutrino ad alta energia, che cos’è una galassia attiva, come hanno fatto gli astrofisici a osservare una roba del genere e, soprattutto, perché si tratta di una scoperta così importante. Partiamo.
Che cosa sono i neutrini ad alta energia

I neutrini sono particelle fondamentali della natura, come gli elettroni e i quark. Una caratteristica che rende i neutrini difficili da osservare è il fatto che interagiscono davvero molto poco con la materia. Il motivo è il seguente: in natura esistono 4 interazioni fondamentali, la gravità, l’elettromagnetismo, l’interazione forte e l’interazione debole. I neutrini non sentono l’interazione forte (questa la sentono solo i quark), non sentono la gravità (hanno una massa praticamente trascurabile), non sentono l’elettromagnetismo (sono particelle neutre, senza carica elettrica). Cosa rimane? L’interazione debole, quella responsabile, per esempio, dei decadimenti radioattivi nei nuclei atomici.

Quindi né i campi gravitazionali né i campi elettromagnetici possono fare granché sui neutrini: se un neutrino parte da una qualche sorgente, quello tira diritto fino a noi sulla Terra. Anzi, a volte neanche si ferma: tira diritto anche sulla Terra, attraversa tutto quello che gli si pone davanti (compresi noi stessi) e continua a viaggiare nell’universo.

Non c’è bisogno di entrare nei dettagli di questa elusività (ai fisici piace questa parola quando si parla di neutrini!): ciò che a noi interessa è che a volte capita che un neutrino interagisca con la materia; se ciò accade allora possiamo in qualche modo accorgerci del passaggio di un neutrino.

Per esempio, quando un neutrino colpisce un qualche nucleo atomico, ecco che un muone può formarsi. Il muone è un’altra particella fondamentale della fisica: come l’elettrone, il muone ha carica negativa; tuttavia il muone ha una massa maggiore di quella dell’elettrone.

Ho tirato in ballo i muoni perché sono gli occhi attraverso cui ci accorgiamo dei neutrini. Vediamo perché.

L’osservazione del neutrino ad alta energia
IceCube è un osservatorio per misurare i neutrini. Si trova in Antartide ed è fatto di più di 5000 sensori ottici situati in un volume di un km cubico sotto il ghiaccio vicino al Polo Sud.
Ricerca ad alta energia nel freddo dell’Antartide. Questo è l’IceCube Observatory, o meglio la parte di fuori.
Lo strumento che osserva i neutrini è composto da 86 cavi verticali infilati nel ghiaccio e distanti tra loro 125 metri. Il tutto a profondità di circa 1500-2000 metri.
E questo invece è uno schema di quello che c’è sotto l’IceCube Observatory: tanti cavi pronti a beccare i neutrini…ehm i muoni, vabbè ci siamo capiti.
Non capita spesso, anzi, ma quando capita che un neutrino interagisce con un nucleo atomico, allora un muone salta fuori.
Questo muone appena nato si muove molto velocemente nel ghiaccio: va così veloce che la luce, nel ghiaccio, si muove più lentamente. Cioè, nel ghiaccio, il muone va più veloce della luce (ma comunque a meno di 300 mila km al secondo, che è la velocità della luce nel vuoto).
Quando una particella, in un certo mezzo, si muove più veloce della luce (in quel mezzo) allora una radiazione di colore blu è emessa: questa radiazione è chiamata radiazione Cherenkov e può essere misurata. Ecco, questa è la cosa che è stata misurata da IceCube. E in questo modo si è capito che l’evento a monte era proprio il passaggio di un neutrino ad alta energia.
Sul sito del National Science Foundation ho trovato questo video molto bello che fa vedere, con un’animazione, come si osserva il neutrino e la radiazione Cherenkov e riassume quello che ho appena scritto a parole (quella specie di nuvola nel video sarebbe il neutrino).
Diciamo neutrino ad alta energia perché il neutrino misurato ha un’energia di circa 290 Tev (tera-elettronvolt), ovvero 290 mila miliardi di elettronvolt. I numeri sono enormi, ma si tratta di alte energie della fisica delle particelle.
Piccola nota: 1 Tev corrisponde a 1 decimilionesimo di Joule; e un Joule, poi, corrisponde all’energia che ha un bimbo di 10 kg che si muove a 1,5 km orari. Così, giusto per mettere tutto in proporzione.
Ora, la domanda è: da dove proviene questo neutrino ad alta energia?
Perché sappiamo già che i neutrini possono provenire dal Sole (sono prodotto nel nucleo) e da supernovae esplose nei dintorni. Però i neutrini solari hanno energie di qualche Mev (mega-elettronvolt), ovvero qualche milione di elettronvolt. Quindi un’energia molto minore di quella del neutrino misurato da IceCube.
E allora la domanda resta? Da dove salta fuori il neutrino a 290 Tev? La risposta è: da galassie attive.
Che cos’è una galassia attiva

In giro, quando si parla della scoperta che vi sto raccontando ora, si dice che il neutrino ad alta energia proviene da un blazar. Ma questo è solo un altro modo per dire ciò che abbiamo già detto, perché un blazar non è altro che una galassia attiva.

Ma di che si tratta, perché una galassia può essere attiva? Le galassie, probabilmente quasi tutte, hanno un buco nero supermassivo al loro centro. A volte, come nel caso della nostra Via Lattea, questo buco nero supermassivo centrale è più o meno quieto. In altri casi, grosse quantità di energia sono rilasciate quando la materia ci cade dentro: in questo caso la materia si riscalda ed emette molta luce in diverse frequenze: onde radio, raggi gamma, raggi X, e tutto il resto.

Siccome il buco nero supermassivo sta al centro, gli astrofisici si riferiscono dunque soltanto al nucleo delle galassie attive e si parla di Nuclei Galattici Attivi (l’acronimo ufficiale è AGN, Active Galactic Nucleus in inglese). Nel storia delle scoperte astrofisiche, si è scoperto che quasar, blazar, radiogalassie, sono tutti diversi tipi di AGN. Nel senso che hanno tutte una struttura simile a quella della figura qui sotto (clicca per ingrandire), ma ci possono essere differenze nella produzione di energia che poi è osservata da noi.

Gli studenti universitari di astrofisica adorano questa immagine!

Ora, non è il momento qui di raccontare tutto quello che vedete in figura. Però un paio di cose importanti da dire ci sono: la prima è che dal disco di accrescimento che si forma attorno al buco nero centrale parte tutto. Poi, ci si mette anche il campo magnetico e si vengono a formare i getti relativistici, dove una gran quantità di materia è sparata nello spazio.

La seconda cosa importante è che le energie in gioco sono elevatissime e quindi le particelle di materia che vengono buttate via hanno di conseguenza energie elevate (nel senso che abbiamo detto prima riguardo la fisica delle particelle).

In particolare, tra queste particelle accelerate e sputate nello spazio dall’AGN ci sono protoni e altri nuclei atomici con energia molto elevata, quelli che si chiamano raggi cosmici: a seguito di diversi altri processi, questi protoni e nuclei atomici possono poi generare luce e neutrini ad alta energia.

Quindi, se si becca un neutrino ad alta energia che sembra provenire proprio dove si trova fisicamente un AGN, allora abbiamo fatto bingo: abbiamo capito dove si formano questi neutrini così energetici e in più abbiamo capito dove si formano i raggi cosmici che hanno una certa energia. Questa è l’astrofisica multi-messagero, cioè l’astrofisica che osserva lo stesso fenomeno grazie a osservazioni tra loro indipendenti dal punto di vista della misurazione.

Quel neutrino energetico viene proprio dalla galassia attiva TXS 0506+056

Partiamo da ciò che si è osservato. Una volta che IceCube ha misurato il neutrino ad alta energia, subito si è diramato l’allerta per tutti gli altri telescopi sparsi sulla Terra e nello spazio: bisognava puntare verso l’apparente sorgente di provenienza del neutrino per vedere che cosa c’è. Si tratta della stessa cosa fatta con le onde gravitazionali l’anno scorso.

Per esempio, si è attivato il telescopio NASA Fermi, che guarda l’universo nei raggi gamma. Gli AGN emettono raggi gamma e quindi, per testare se davvero i neutrini ad alta energia si formano negli AGN, il telescopio Fermi è uno degli strumenti ideali.

Se si mettono insieme i dati sulla localizzazione di IceCube e quelli di Fermi (e di altri telescopi tipo MAGIC), si arriva alla figura qui sotto.

Localizzazione della sorgente del neutrino ad alta energia.

Lasciate perdere i dettagli: il punto, come vedete, è che le osservazioni convergono proprio su quella galassia attiva al centro e che si chiama TXS 0506+056. Tombola!

Ma attenzione: e se fosse solo un caso? La scienza ha i suoi metodi per fare potenziali scoperte, ma anche i mezzi per difendersi dalle potenziali scoperte che poi si rivelano non esserlo affatto.

In fondo, se ci pensate, abbiamo osservato un solo unico neutrino ad alta energia provenire da TXS 0506+056. Magari è solo una coincidenza e non abbiamo osservato neutrini che si sono formati a partire dai raggi cosmici.

Tuttavia, con i dati in nostro possesso, possiamo essere abbastanza confidenti: possiamo escludere al 99,7% che si sia trattato di una coincidenza osservare una galassia attiva proprio nei dintorni della regione da dove sembra provenire il neutrino osservato da IceCube. Molto bene, questi sono controlli che la scienza deve sempre fare.

E ora vai con l’astrofisica multi-messaggero

Prima le onde gravitazionali e i gamma ray burst, oggi i neutrini e i raggi cosmici: ormai ci siamo dentro, viviamo nell’era dell’astrofisica multi-messagero. Prima o poi doveva accadere e gli astrofisici sono estremamente felici di ciò. Poter osservare lo stesso fenomeno con diversi occhi è una risorsa essenziale per capire meglio cosa succede nell’universo.

Sono certo che qui su Quantizzando racconteremo sempre più spesso storie di questo tipo.

E, come al solito, non ci abitueremo mai: l’universo trova sempre un modo per sorprenderci.

Link per saperne di più

Articolo scientifico della scoperta

Notizia su Media INAF

Notizia sul sito del National Science Foundation

È stata scattata la foto di un esopianeta in formazione

Gli astrofisici hanno ottenuto l’immagine di un nuovo esopianeta durante la sua formazione attorno a una stella lontana. La scoperta è stata fatta da un gruppo di astrofisici del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg (Germania) guidati da Miriam Keppler e Andrè Müller (trovate gli articoli scientifici alla fine di questo post).

Ecco, quella palla luminosa è il pianeta che si forma nel disco attorno la stella PDS 70b. La luce della stella (al centro) è stata filtrata per studiare meglio il pianeta. Crediti: ESO/Müller et al.
Dove si trova questo pianeta?

La stella si chiama PDS 70 e il pianeta PDS 70b; i dati sono stati raccolti da diversi strumenti del Very Large Telescope (VLT) dell’ESO, che si trova in Cile.

PDS 70 si trova a 370 anni luce da noi; è una stella giovane, ha quasi 5 milioni di anni (il Sole ha quasi 5 miliardi di anni, per confrontare).
In più, PDS 70 ha una massa poco più piccola di quella del Sole, anche se ha dimensioni poco più grandi di quelle della nostra stella.

Le osservazioni degli astrofisici

Già nel 2002 gli astronomi avevano visto un disco di polvere e gas circondare PDS 70. Infatti, la luce della stella è diversa da quella riflessa da gas e polvere e si riesce a distinguere.
Solo oggi però siamo in grado di guardare, insieme agli astronomi, PDS 70 più in dettaglio e vedere che un pianeta gigante si sta formando.

Ci sono due cose da dire sull’immagine ottenuta dagli astrofisici.

1) Si è misurata anche la luce polarizzata, cioé quella luce che oscilla in una direzione preferenziale. La luce delle stelle non è polarizzata, ma invece è polarizzata la luce riflessa dai grani di polvere e dal gas attorno alla stella. Così si è studiato il sistema PDS 70.

2) Per guardare meglio il pianeta che si sta formando nel disco di gas e polveri attorno a PDS 70 si è fatta una cosa semplice: si è messo un filtro per oscurare la luce della stella. In questo modo si può osservare meglio cosa c’è attorno alla stella, e quindi il pianeta PDS 70b.

Forse su PDS 70b ci sono le nuvole

PDS 70b si trova a circa 3 miliardi di km dalla sua stella. Per confronto, la Terra si trova a 150 milioni di km dal Sole. Quindi PDS 70b dista dalla sua stella circa 20 volte la distanza che separa la Terra dal Sole.

Comunque, malgrado ciò, non fa proprio freddo su PDS 70b: questo pianeta si trova in un disco pieno di roba ed è continuamente colpito da materiale. Così il pianeta si scalda e ha una temperatura stimata tra 1150 °C e 1350°C. Questo è il motivo per cui osserviamo il pianeta di PDS 70 con telescopi che osservano negli infrarossi: ogni corpo con una certa temperatura emette luce a una precisa lunghezza d’onda, e nel caso della temperatura del pianeta di PDS 70 siamo nell’infrarosso come luce emessa. Non solo: i modelli usati per riprodurre le caratteristiche del pianeta suggeriscono la presenza di nuvole su PDS 70b.

Che dire, gli astrofisici sono persone semplici, appena possono si mettono a fare previsioni meteo su un mondo distante qualche miliardo di miliardo di km dalla Terra. Tutto OK, insomma.

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Link alla rassegna stampa dell’ESO: https://www.eso.org/public/news/eso1821/

Link agli articoli scientifici: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1821/eso1821b.pdf