Alma e Rosetta sulle tracce del fosforo

Questa infografica mostra i risultati chiave di uno studio che ha rivelato la traccia interstellare del fosforo, uno dei mattoni costitutivi della vita. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), Rivilla et al.; Eso/L. Calçada; Esa/Rosetta/NavCam; Mario Weigand, www.SkyTrip.de

«La vita è apparsa sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa, ma non conosciamo ancora i processi che l’hanno resa possibile», dice Víctor Rivilla, autore principale di un nuovo studio pubblicato oggi dalla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. I nuovi risultati di Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), di cui l’Osservatorio europeo australe (Eso) è partner, e dello strumento Rosina a bordo di Rosetta mostrano che il monossido di fosforo è un elemento chiave nel rompicapo sull’origine della vita.

Con la potenza di Alma, che ha permesso uno sguardo dettagliato nella regione di formazione stellare Afgl 5142, gli astronomi sono stati in grado di individuare i luoghi in cui si formano molecole contenenti fosforo, come il monossido di fosforo. Nuove stelle e sistemi planetari sorgono in regioni, simili a nubi, formate da gas e polvere sparsi tra le stelle, rendendo queste nubi interstellari i luoghi ideali da cui iniziare la ricerca dei mattoni costitutivi della vita.

Le osservazioni Alma hanno mostrato che le molecole che contengono fosforo vengono create quando si formano stelle massicce. Flussi di gas da stelle giovani e massicce scavano cavità nelle nubi interstellari. Le molecole contenenti fosforo si formano sulle pareti della cavità, attraverso l’azione combinata di urti e radiazioni della giovane stella. Gli astronomi hanno anche dimostrato che il monossido di fosforo è la molecola più abbondante sulle pareti della cavità, tra tutte le molecole contenenti fosforo.

Dopo aver cercato questa molecola nelle regioni di formazione stellare con Alma, il gruppo europeo è passato a un oggetto del Sistema Solare: l’ormai famosa cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko. L’idea era di seguire le tracce di questi composti contenenti fosforo. Se le pareti della cavità collassano per formare una stella, in particolare una non particolarmente massiccia, come il Sole, il monossido di fosforo può congelarsi e rimanere intrappolato nei granelli di polvere ghiacciata che rimangono intorno alla nuova stella. Ancor prima che la stella sia completamente formata, i granelli di polvere si uniscono per formare sassolini, rocce e infine comete, che diventano così trasportatori di monossido di fosforo.

Rosina, acronimo che sta per Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis, ha raccolto dati da 67P per due anni, mentre Rosetta era in orbita intorno alla cometa. Gli astronomi avevano già trovato tracce di fosforo nei dati di Rosina, ma non sapevano di quale molecola si trattasse. Kathrin Altwegg, principal investigator di Rosina e co-autrice del nuovo studio, ha avuto un suggerimento su quale potesse essere questa molecola dopo essere stata avvicinata a una conferenza da un’astronoma che studiava con Alma le regioni di formazione stellare: «Mi disse che il monossido di fosforo sarebbe un candidato molto probabile, quindi sono tornata a verificare i nostri dati ed eccolo lì!».

La regione di formazione stellare Afgl 5142vista da Alma. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), Rivilla et al.

Questo primo avvistamento del monossido di fosforo su una cometa aiuta gli astronomi a stabilire una connessione tra le regioni di formazione stellare, dove la molecola viene creata, fino alla Terra.

«La combinazione dei dati di Alma e di Rosina ha rivelato una sorta di filo chimico durante l’intero processo di formazione stellare, in cui il monossido di fosforo svolge il ruolo dominante», spiega Rivilla, ricercatore all’Osservatorio astrofisico di arcetri dell’Inaf, l’Istituto nazionale di astrofisica italiano.

«Il fosforo è essenziale per la vita come la conosciamo», aggiunge Altwegg. «Dato che le comete hanno probabilmente fornito grandi quantità di composti organici alla Terra, il monossido di fosforo trovato nella cometa 67P potrebbe rafforzare il legame tra le comete e la vita sulla Terra».

Questo affascinante viaggio ha potuto essere documentato grazie alla collaborazione tra astronomi. «Il rilevamento del monossido di fosforo è stato chiaramente ottenuto grazie a uno scambio interdisciplinare tra telescopi sulla Terra e strumenti nello spazio», commenta Altwegg.

Leonardo Testi, astronomo dell’Eso e responsabile europeo delle operazioni di Alma, conclude: «Comprendere le nostre origini cosmiche, tra cui quanto siano comuni le condizioni chimiche favorevoli all’emergenza della vita, è uno dei temi principali dell’astrofisica moderna. Mentre Eso e Alma si concentrano sulle osservazioni di molecole in giovani sistemi planetari distanti, l’esplorazione diretta dell’inventario chimico all’interno del Sistema solare è resa possibile dalle missioni Esa, come Rosetta. La sinergia tra le strutture terrestri e spaziali all’avanguardi a livello mondiale, attraverso la collaborazione tra Eso ed Esa, è una risorsa preziosa per i ricercatori europei e consente scoperte rivoluzionarie come quella riportata in questo articolo».

Fonte: comunicato stampa Eso

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Tutta Rosetta a portata di click

La camera Osiris a bordo di Rosetta ha catturato questa immagine della cometa 67P il 2 settembre 2016 da una distanza di appena 2.1 km, ottenendo una risoluzione di 4 cm/pixel al centro dell’immagine. Crediti: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Tutte le immagini ad alta risoluzione e i dati ottenuti dalla missione Rosetta verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko sono ora disponibili negli archivi dell’Esa, con l’ultima versione che include le riprese della scoperta del lander Philae e l’ultima discesa di Rosetta sulla superficie della cometa. Le immagini sono state consegnate dal team della fotocamera Osiris all’Esa a maggio e ora sono state elaborate e rilasciate sia in Archive Image Browser che in Planetary Science Archive.

L’Archive Image Browser ospita anche immagini catturate dalla camera di navigazione della sonda, mentre il Planetary Science Archive contiene dati disponibili pubblicamente provenienti da tutti gli undici strumenti scientifici a bordo di Rosetta, così come dalle altre missioni di esplorazione del Sistema solare dell’Esa.

Il lotto finale di immagini ad alta risoluzione della telecamera Osiris di Rosetta copre il periodo da fine luglio 2016 alla fine della missione, avvenuta il 30 settembre 2016; porta il numero totale di immagini a oltre 100mila, ottenute lungo tutto il viaggio di 12 anni della navicella spaziale, compresi i sorvoli iniziali di Terra, Marte e due asteroidi prima di raggiungere la cometa 67P.

Una “zampetta” di Philae s’intravede appena in questa immagine ripresa da Rosetta il 30 agosto 2016 a 2.5 km di distanza dalla cometa 67P. Crediti: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

La traiettoria della navicella attorno alla cometa è cambiata progressivamente durante gli ultimi due mesi della missione, portandola sempre più vicina alla cometa mano a mano che compiva le sue orbite ellittiche. Ciò ha permesso di ottenere alcune immagini spettacolari da soli due chilometri dalla superficie. Immagini uniche, che rivelano squisiti dettagli del contrasto tra il terreno liscio e polveroso e il materiale più consolidato e fratturato della cometa.

Una serie di immagini particolarmente memorabili catturate in questo periodo furono quelle del lander Philae di Rosetta, a seguito dello sforzo compiuto per determinare la sua posizione dopo che il robottino era stato perso. Con Rosetta che volava così vicino, le condizioni ambientali impegnative, associate alla polvere e al gas che fuoriescono dalla cometa e alla topografia del terreno locale, hanno causato problemi di visibilità, ma il fotogramma vincente è stato finalmente catturato poche settimane prima della fine della missione.

Mappa delle ultime immagini riprese da Rosetta prima di terminare la missione sulla cometa. Crediti: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Nelle ultime ore della missione, mentre si avvicinava sempre di più alla superficie della cometa, Rosetta ha osservato un antico cratere denominato Deir el-Medina, restituendo infine immagini che mostravano quello che sarebbe diventato il suo luogo di riposo. Anche dopo che la sonda era già stata spenta, il team è stato in grado di ricostruire un’ultima immagine – inizialmente nascosta fra i dati – dai pacchetti di telemetria inviati indietro quando Rosetta si trovava a circa 15 metri dalla superficie.

«Avere tutte le immagini finalmente archiviate per essere condivise con il mondo è una sensazione meravigliosa», afferma Holger Sierks, principal investigator della camera Osiris. «Siamo inoltre lieti di annunciare che tutte le immagini Osiris sono ora disponibili con una licenza Creative Commons».

«L’ultima serie di immagini integra il ricco tesoro di dati che la comunità scientifica sta già setacciando per comprendere veramente questa cometa da tutti punti di vista, per ottenere un quadro migliore sul ruolo delle comete in generale nella formazione del Sistema solare», dice Matt Taylor, responsabile scientifico di Rosetta. «Ci sono certamente molti misteri, e molti ancora da scoprire».

Guarda il servizio video di MediaInaf TV:

Chury originata da una collisione catastrofica

Immagine della cometa Chury scattata dalla sonda spaziale Rosetta. Crediti: Esa/Rosetta/Navcam – CC BY-SA IGO 3.0.

Da quando Giotto visitò la cometa di Halley nel 1986, altre sonde spaziali sono volate vicino a diversi nuclei cometari, come ad esempio Stardust, che ha incontrato le comete 81P-Wild e Tempel 1, oppure Deep Impact, che il 4 luglio 2005 ha impattato il nucleo della stessa cometa visitata da Stardust, la Tempel 1, con lo scopo di studiarne la composizione interna. Da queste osservazioni si è riscontrato che la maggior parte delle comete sembra avere una forma allungata o addirittura composta da due lobi, come la nota Chury (67P/Churyumov–Gerasimenko), che è stata studiata nel dettaglio dalla sonda spaziale Rosetta e dal lander Philae nel 2014 e 2015. Gli astronomi ritengono che questa strana forma possa essere dovuta alla fusione di due comete precedentemente separate. In accordo con questa teoria, le due comete dovrebbero essere caratterizzate da una densità molto bassa ed essere ricche di elementi volatili, che permettono loro di muoversi molto lentamente, in modo tale da consentire un delicato avvicinamento, senza che si verifichi uno scontro distruttivo. Per una serie di ragioni, è presumibile che questo tipo di incontri “gentili” si siano potuti verificare solo nelle fasi iniziali del Sistema solare, più di quattro miliardi di anni fa. Questo però solleva perplessità su come oggetti del genere, così fragili, antichi e delle dimensioni di Chury, siano riusciti a sopravvivere fino ad ora dato che sono costantemente soggetti a collisioni nelle regioni dove orbitano.

Questa è l’immagine della fase finale della simulazione, effettuata dagli autori, di una collisione catastrofica tra comete, che mostra uno degli oggetti formati dall’accrescimento dei detriti dalla collisione, con una forma identica a quella di Chury. Crediti: Esa/Rosetta/Navcam – CC BY-SA IGO 3.0.

Un team internazionale coordinato da Patrick Michel, ricercatore del Cnrs presso il Laboratoire di Lagrange (Cnrs / Observatoire de la Côte d’Azur / Universite de Nice-Sophia Antipolis), propone ora uno scenario completamente diverso, supportato da simulazioni numeriche in parte eseguite presso il Mésocentre Sigamm dell’Osservatorio della Costa Azzurra. Le simulazioni mostrano che, durante una collisione distruttiva tra due comete, solo una piccola parte del materiale viene distrutta e ridotta in polvere. Sui lati opposti delle due comete, rispetto al  punto di impatto, i materiali ricchi di elementi volatili sono in grado di resistere alla collisione e, una volta espulsi a velocità relative abbastanza basse, riescono ad attrarsi vicendevolmente e aggregarsi in nuovi piccoli corpi, che a loro volta si raggruppano insieme per formarne uno solo. Sorprendentemente, questo processo richiede solo pochi giorni, o addirittura poche ore. In questo modo, la cometa formata mantiene la sua bassa densità e le sue abbondanti sostanze volatili, proprio come Chury. Questo processo si pensa essere possibile anche in seguito a impatti a velocità di 1 km/s, che sono tipici della fascia di Kuiper, la fascia dei corpi minori che si estende oltre Nettuno.

Poiché questo tipo di collisione tra comete avviene regolarmente, Chury potrebbe essersi formata in qualsiasi momento della storia del Sistema solare e non necessariamente agli inizi, come si pensava in precedenza, risolvendo così il problema della sua sopravvivenza a lungo termine. Questo nuovo scenario spiega anche la presenza dei buchi e dei diversi strati osservati su Chury, che si sarebbero sviluppati naturalmente durante il processo di accrescimento, oppure successivamente, dopo la sua formazione.

Un ultimo punto degno di nota è che, durante la collisione che forma questo tipo di cometa, non si verifica alcun compattamento o riscaldamento significativo e pertanto la loro composizione primordiale risulta preservata: le nuove comete continuano ad essere oggetti primitivi. In altre parole, anche se Chury si fosse formata di recente, l’analisi del suo materiale ci consentirà comunque di indagare sulle origini del Sistema Solare.

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Rosetta: l’anello mancante e il getto misterioso

Quasi come una creatura mitologica, la cometa 67P si staglia nell’ombra spaziale a meno di 30 km dalla sonda Rosetta, che ha ripreso questa immagine il 19 settembre 2014. Crediti: ESA/Rosetta/NAVCAM

C’era una volta la sonda Rosetta dell’Agenzia spaziale europea… Ora Rosetta non c’è più ma i dati raccolti dalla cometa  67P/Churyumov-Gerasimenko ancora per molti anni permetteranno di scrivere nuovi capitoli di una storia meravigliosa: la storia del Sistema solare. Come promettono di fare i due nuovi articoli pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a cui hanno partecipato numerose ricercatrici e ricercatori italiani e dell’Inaf.

Il primo studio, guidato da Jürgen Blum della Technische Universität Braunschweig, in Germania, ha trovato quello che può essere definito come l’anello finora mancante nella concatenazione di eventi che hanno portato alla formazione dei pianeti. Gli scienziati non sapevano infatti come collegare la formazione di ciottoli (dust pebbles), originati nella nebulosa protoplanetaria solare dall’adesione di particelle di polvere e ghiaccio che collidono fra loro, con l’accrescimento gravitazionale dei planetesimi (corpi come gli asteroidi e le comete) in pianeti.

Insomma: sappiamo come si formano i “mattonicini”, e sappiamo anche come “grandi pietre” possano unirsi grazie all’attrazione gravitazionale fino a formare pianeti. Ma come si passa dai ciottoli alle “grandi pietre”? Decine di esperimenti, effettuati proprio da Blum, hanno dimostrato che le collisioni fra polveri nel disco protoplanetario sono distruttive per dimensioni oltre il centimetro, cioè oltre la dimensione dei ciottoli. Inoltre, come ha osservato il radiotelescopio Alma in dischi protoplanetari extra-solari, i pianeti nascono molto in fretta: entro il primo milione di anni dalla formazione del disco protoplanetario stesso.

Rappresentazione schematica della struttura porosa superficiale della cometa 67P. Si presume che i ciottoli all’interno della cometa siano costituiti da una miscela di polvere e ghiaccio (sfere azzurre) mentre solo gli strati più superficiali, che sono esposti alla luce solare diretta, non contengono ghiaccio (sfere grigie). Crediti: Maya Krause, TU Braunschweig

La risposta viene dalla struttura di 67P, desunta dalle osservazioni di Rosetta: la cometa è un corpo granulare, un aggregato di ciottoli “primordiali” di dimensioni millimetriche, contenenti polvere e ghiaccio; solo gli strati più superficiali, che sono esposti alla luce solare diretta, non contengono ghiaccio.

«Moltissimi dati di Rosetta vengono naturalmente spiegati assumendo che 67P sia un accumulo di ciottoli tenuto assieme dalla debolissima gravità reciproca, come previsto dai modelli in grado di spiegare le osservazioni di Alma e la nascita dei pianeti in poche centinaia di migliaia di anni», sintetizza uno degli autori, Marco Fulle dell’Inaf di Trieste. “Quindi 67P è un corpo perfettamente omogeneo, e perfettamente consistente con i modelli in grado di spiegare la nascita di pianeti in tutti i dischi protoplanetari. Questo risultato, a suo modo, rappresenta una piccola grande unificazione».

Grazie alla massa relativamente piccola della cometa 67P, i ciottoli sono sopravvissuti intatti fino a oggi, permettendo agli scienziati, per la prima volta, di confermare l’ipotesi che la cometa sia nata grazie all’accumulo di ciottoli, che hanno dato origine a un corpo coerente grazie a un delicato flusso d’attrazione. Un effetto collettivo delle particelle di polvere, leggero ma irresistibile, che gli scienziati definiscono “streaming instability”.

«Per far collassare un corpo come questo per gravità», spiega Fulle, «basta che tutti i ciottoli si concentrino entro la sua sfera di Hill, che per 67P ha un raggio di circa 200 km. Gli ultimi codici di streaming instability confermano che è possibile: una volta che dieci miliardi di tonnellate (il peso della cometa) di ciottoli si trovano entro un volume di 400 km di diametro, non è più possibile evitare il collasso gravitazionale. Ma il collasso è così “gentile”, e le pressioni interne sono così piccole, da non alterare i ciottoli».

Il nuovo studio dimostra anche che un siffatto nucleo di ciottoli tenuti assieme dalla sola gravità ha un comportamento termico che può spiegare molte delle proprietà osservate per la cometa 67P, come per esempio la sua elevata porosità e la quantità di gas che fuoriesce da dentro mentre la cometa si avvicina al Sole.

Un pennacchio di polvere originatosi della regione Imhotep dalla cometa 67P, visto dalla camera grandangolare Osiris a bordo di Rosetta il 3 luglio 2016. Crediti: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Altre evidenze, tuttavia, vanno un po’ in contrasto con questo modello. Come il getto di gas e polveri del 3 luglio 2016, una piccola “eruzione” che Rosetta è stata in grado di misurare con ben cinque dei suoi strumenti e che ha permesso agli scienziati, per la prima volta, di combinare osservazioni della polvere rilasciata assieme ai relativi cambiamenti della superficie.

Il risultato di questo ulteriore studio, guidato da Jessica Agarwal del Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung, indica che gli impressionanti getti di polvere che le comete emettono nello spazio durante il loro viaggio intorno al Sole non sono spinti esclusivamente dalla sublimazione di acqua congelata, ma devono esistere altre fonti di energia interne alla cometa da cui attingono.

Gli scenari possibili ipotizzati dalle ricercatrici e dai ricercatori nel nuovo studio comprendono il rilascio di gas pressurizzato immagazzinato sotto la superficie, oppure la conversione del ghiaccio amorfo in cristallino, energeticamente più favorevole, indotta dal riscaldamento solare.

«Queste ipotesi vanno un po’ contro il risultato di un nucleo perfettamente omogeneo e per lo più secco», ammette Fulle, coautore anche di questo studio. «La porosità del nucleo sembra escludere che sia possibile accumulare gas sotto pressione in sacche interne, indipendentemente dal modello a ciottoli».

Il 3 luglio 2016 un getto di polvere è stato avvistato all’interno della depressione piena di ghiaccio vicino al grande masso verso il fondo del fotogramma. Questa immagine è una composizione in falsi colori, dove le macchie azzurre evidenziano la presenza e la posizione del ghiaccio d’acqua. Crediti: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

L’aspetto unico dell’evento del 3 luglio 2016 è rappresentato dalle immagini ad alta risoluzione della superficie, in cui i ricercatori hanno individuato una zona circolare di circa dieci metri di diametro all’interno di una depressione come punto di partenza del getto. Come hanno confermato le analisi, quest’area contiene acqua congelata sulla superficie.

In generale, gli scienziati suppongono che i gas congelati sulla superficie cometaria, come il ghiaccio d’acqua, siano responsabili dei getti di polvere. Sotto l’influsso del calore solare, queste sostanze sublimano, passando direttamente allo stato gassoso, e il flusso di gas trascina con sé le particelle di polvere nello spazio.

Tuttavia, il nuovo studio dimostra che, con una produzione di polvere di circa 18 kg al secondo, il getto del 3 luglio 2016 è troppo “polveroso” rispetto a quanto predicono i modelli convenzionali, richiedendo quindi la presenza di ulteriori processo energetici in gioco, come quelli ipotizzati sopra.

Marco Fulle

«Le due ipotesi suggerite in questo studio non sono le uniche possibili, qui davvero siamo appena agli inizi», commenta Fulle. «Mancano ancora esperimenti di laboratorio che studino cosa succede a basse temperature nel nucleo interno e in una struttura a ciottoli sottoposta a perturbazioni. Certamente, si rende evidente che queste due ipotesi “classiche”, valide in vecchi modelli cometari “a cipolla”, difficilmente si conciliano con tutti gli altri dati di Rosetta».

«C’è una particolare attenzione in questo momento all’interno della comunità scientifica di Rosetta a cercare di combinare i dati ottenuti da 67P con modelli, simulazioni e lavoro di laboratorio qui sulla Terra, per risolvere la questione su cosa produca tale attività sulle comete», conferma in conclusione Matt Taylor, responsabile scientifico di Rosetta all’Agenzia spaziale europea.

Per saperne di più:

  • Leggi l’anteprima dell’articolo pubblicato su MnrasEvidence for the formation of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko through gravitational collapse of a bound clump of pebbles“, di Jürgen Blum, Bastian Gundlach, Maya Krause, Marco Fulle, Anders Johansen, Jessica Agarwal, Ingo von Borstel, Xian Shi, Xuanyu Hu, Mark S. Bentley,Fabrizio Capaccioni, Luigi Colangeli, Vincenzo Della Corte, Nicolas Fougere, Simon F. Green, Stavro Ivanovski, Thurid Mannel, Sihane Merouane, Alessandra Migliorini, Alessandra Rotundi, Roland Schmied, Colin Snodgrass
  • Leggi l’articolo pubblicato su MnrasEvidence of sub-surface energy storage in comet 67P from the outburst of 3 July 2016“, di  J. Agarwal, V. Della Corte, P. D. Feldman, B. Geiger, S. Merouane, I. Bertini, D. Bodewits, S. Fornasier, E. Grün, P. Hasselmann, M. Hilchenbach, S. Höfner, S. Ivanovski, L. Kolokolova, M. Pajola, A. Rotundi, H. Sierks, A. J. Steffl, N. Thomas, M. F. A’Hearn, C. Barbieri, M. A. Barucci, J.-L. Bertaux, S. Boudreault, G. Cremonese, V. Da Deppo, B. Davidsson, S. Debei, M. De Cecco, J. F. Deller, L. M. Feaga, H. Fischer, M. Fulle, A. Gicquel, O. Groussin, C. Güttler, P. J. Gutiérrez, M. Hofmann, K. Hornung, S. F. Hviid, W.-H. Ip, L. Jorda, H. U. Keller, J. Kissel, J. Knollenberg, A. Koch, D. Koschny, J.-R. Kramm, E. Kührt, M. Küppers, P. L. Lamy, Y. Langevin, L. M. Lara, M. Lazzarin, Z.-Y. Lin, J. J. Lopez Moreno, S. C. Lowry, F. Marzari, S. Mottola, G. Naletto, N. Oklay, J. Wm. Parker, R. Rodrigo, J. Rynö, X. Shi, O. Stenzel, C. Tubiana, J.-B. Vincent, H. A. Weaver, B. Zaprudin