Casadio Carolina Doria Alberto Trasatti Monica Vincenti Gaia Chiara Battistini Marte e l’astrobiologia Astrobiologia si occupa della ricerca della vita e studia le condizioni per lo sviluppo e il mantenimento di questa. Confronto fra Terra (adatta alla vita) e Marte per capire quali sono le diverse condizioni chimiche e fisiche sviluppatesi su Marte e quali effetti comportano. Marte facile da esplorare rispetto ad altri pianeti o satelliti. Caratteristiche Marte Terra 1.523679 UA 1 AU = 1.5 x 10 11 m 0.093315 0.016710 686.971 giorni 1.8808 anni 365.256 giorni 1.00002 anni Inclinazione dell’asse 25.19° 23.45° Giorno solare medio 24 h 39 m 35 s 23 h 56 m Massa 6.4185x1026 g 5.9736x1027 g Raggio 3.39x106 m 6.38x106 m Densità media 3.934 g/cm3 5.5153 g/cm3 Gravità sup. all’equatore 3.69 m/s2 9.81 m/s2 Area superficiale totale 1.448x1014 m2 5.1x1014 m2 0.6-0.9 kPa 101.3 kPa 227 K -46 °C 287 K 14 °C 5.027 km/s 11.186 km/s 0.15 0.367 CO2 (95.3%), N2 (2.7%), Ar (1.6%), altri (0.4%) N2 (78.08%), O2 (20.95%), Ar (0.93%), CO2 (0.038%) Semiasse maggiore Eccentricità Periodo orbitale Pressione atmosferica media Temperatura sup. media Velocità di fuga Albedo Composizione atmosferica Caratteristiche (2) • Diametro: circa la metà di quello terrestre • Massa: 10 volte più piccola di quella terrestre • Densità: più denso di quanto sarebbe se fosse composto solo di materiale roccioso, ma meno denso di quanto sarebbe se avesse una struttura interna simile a quella terrestre (nucleo di ferro più piccolo o nucleo meno denso di FeS?) Mantello ricco di ferro. • Marte non presenta il fenomeno della tettonica delle placche. • Pressione atmosferica superficiale: meno dell’1% di quella terrestre. • Acqua: vapore acqueo nell’atmosfera e ghiaccio depositato sotto la superficie. Acqua su Marte Generalmente si pensa che l’esistenza di acqua sia sinonimo di vita, perciò attualmente l'esplorazione di Marte non è finalizzata alla ricerca di forme di vita, ma piuttosto alla scoperta di H2O. È importante vedere anche in quale stato sia presente l’acqua dipende dalle condizioni ambientali di temperatura e pressione. DIAGRAMMA DI FASE Diagramma di fase • Visualizza la relazione fra gli stati solido, liquido e gassoso. • Il punto T rappresenta il punto triplo. • TT = 273.16 K • PT = 6.13 mBar • Le curve indicano il cambiamento di fase. Le condizioni ambientali di Marte si collocano nella parte in basso a sinistra del grafico (“solido”), quando la temperatura è più fredda e passano poi nella regione di “vapore”, con l’aumentare della temperatura. Viene attraversata quindi la curva di transizione tra “solido” e “vapore” l’acqua non può esistere in modo stabile allo stato liquido, ma passa direttamente da ghiaccio a vapore acqueo. Elementi pro acqua su Marte ELEMENTI DEL PASSATO: strutture simili a letti di fiumi Reull Vallis - HRSC image 15 January 2004 Credits: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum) strutture simili al delta di un fiume Regione di Nepenthes Mensae (High Resolution Stereo Camera del Mars Express, 22 gennaio 2008) strutture simili a canyon Immagine del sud-est del sistema di canyon di Valle Marineris (fotografia del Mars Global Surveyor, marzo 1999) Si pensa che i canyon siano costituiti da strati di rocce sedimentarie, probabilmente dovuti al deposito di sedimenti da parte dell’acqua che un tempo vi scorreva. Elementi pro acqua su Marte ELEMENTI DEL PRESENTE: acqua nella calotta polare “gullies”: piccole ma significative modifiche strutturali di alcune pareti interne dei crateri Immagini del Mars Global Surveyor dell’agosto 1999 (a sinistra) e del settembre 2005 (a destra). Sull’immagine più recente si vede che è apparso un nuovo deposito di colore chiaro probabilmente dovuto allo scorrere dell’acqua. Gullies = Gole La maggior parte degli scienziati sostiene che queste strutture mostrino l'esistenza di corsi d'acqua che si attiverebbero per brevi periodi di tempo. L'origine non è del tutto chiara. Probabilmente si tratta di erosioni dovute alla fuoriuscita di acque dal sottosuolo o della fusione di ghiacci prossimi alla superficie. Le sacche di ghiaccio verrebbero portate alla luce per vari motivi, ad esempio dalle frane, oppure in seguito dell'azione dei venti. Gullies Una parte minoritaria del mondo scientifico ritiene che si tratti più semplicemente di piccole frane di detriti, anche se ciò sembra essere smentito dalla natura dei pendii in cui sono stati scavati i gullies. E’ importante notare che i depositi sono lunghi alcune centinaia di metri e sono caratterizzati da un colore chiaro, caratteristica che porta a escludere la loro natura franosa. Osservando le tracce dei rover, i crateri più recenti e i mulinelli di sabbia (dust devil) che spazzano la superficie di Marte, gli scienziati hanno notato come la sabbia coinvolta in recenti spostamenti sia caratterizzata da toni più scuri. Gullies Per quanto riguarda il colore chiaro dei depositi si ipotizzano due meccanismi: 1) congelamento superficiale del flusso liquido 2) crosta salata Le ultime immagini mostrano ben 20 nuovi crateri dei quali non vi era traccia circa sette anni fa. Il risultato è certamente importante, ma la statistica diventa ancor più significativa se teniamo conto che le immagini più recenti coprono solamente il 30 per cento della superficie di Marte. Struttura di Marte nel passato Atmosfera marziana Malgrado l’abbondanza di anidride carbonica (95,3%), l’effetto serra che essa produce è in grado di aumentare la temperatura del pianeta di soli 5° In passato Marte doveva possedere un’atmosfera più spessa, con un maggiore effetto serra sufficiente a stabilizzare l’acqua, realizzando quindi un ambiente adatto per lo sviluppo della vita. A t~3.7 Gyr fa ci fu un cambiamento climatico (gran parte della CO2 viene rimossa dall’atmosfera) Cause della diminuzione del CO2dall’atmosfera? 3 ipotesi : 1) numerosi impatti di asteroidi 2) vento solare molto intenso nelle prime fasi di vita di quest’ultimo 3) Discioglimento del CO2 nell’acqua sulla superficie marziana e successiva formazione di minerali carbonati (CaCO3 ) Rimane un unico dubbio: Non è chiaro come l’atmosfera di CO2 abbia potuto far aumentare la temperatura su Marte tanto da permettere acqua liquida sulla superficie, dato che a t~4 Gyr fa il flusso solare era circa il 30 % in meno di quello attuale. Forse numerosi impatti alla fine dell’accrescimento portarono l’acqua dalla crosta all’atmosfera e la successiva caduta di quest’acqua fu responsabile della rete di valli e della corrosione sulla giovane superficie marziana. (Segura et al.,2002) Altri fattori che causano cambiamenti climatici: • variazione del flusso di luminosità (calore) solare • variazione dell’inclinazione dell’asse polare (ad oggi ~ 25,2º) a causa dell’azione gravitazionale degli altri pianeti Una maggiore obliquità causa il riscaldamento dei poli ed evaporazione dell’acqua superficiale Inclinazione asse marziano Si pensa che l’inclinazione assiale di Marte sia variata in modo caotico durante almeno gli ultimi 10 Myr, a causa dell’influenza delle variazioni della spinta gravitazionale da parte di Giove ed anche a causa del fatto che Marte non ha un satellite di grosse dimensioni come la Luna che lo stabilizza. L’angolo di inclinazione oscilla in genere fra i 15° e i 35°. Variazioni nella pressione atmosferica. Inclinazione asse marziano (2) Le variazioni di obliquità influiscono sul problema della sopravvivenza della vita, perché comportano dei cambiamenti climatici: • obliquità minima il Sole si alza poco sopra l’orizzonte e si hanno delle calotte di ghiaccio permanente di CO2; • obliquità massima CO2 e H2O evaporano nell’atmosfera, forse innalzando la pressione al valore necessario per la stabilità dell’acqua liquida per brevi periodi. Durante questi periodi, eventuali microbi nati sotto la superficie emergerebbero. I cambiamenti climatici periodici si riscontrano nei depositi stratificati di polvere e ghiaccio, di cui sono costituiti i poli marziani. Conway A., Gilmour I., Jones B.W., Rothery D.A., Sephton M.A., Zarnecki I: An Introduction to Astrobiology, Cambridge University Press (2004). NASA/JPL/Malin Space Science Systems/USGS Flagstaff Evoluzione campo magnetico Marte Marte ha avuto una evoluzione molto più rapida della Terra. Quando il nucleo caldo del pianeta si raffreddò, la dinamo interna (generata, come nella Terra, dal nucleo di metallo fuso) cessò di autoalimentarsi e il campo magnetico globale svanì. La dinamo sembra si sia spenta pochi milioni di anni dopo la formazione di Marte, forse a causa di un impatto con un asteroide, a cui seguì un'animata attività vulcanica che colpì una grande area a Nord della crosta, cancellando il campo magnetico. Evoluzione campo magnetico Marte Quindi Marte è passato da un campo magnetico globale, come quello terrestre, a uno locale determinato dai residui fossili del precedente campo magnetico (la cui documentazione è conservata nella crosta marziana) Perchè l’acqua non c’è più? Marte più piccolo della Terra si è raffreddato più in fretta è diminuito sempre più il campo magnetico vento solare ha spazzato via parte dell’atmosfera (forse) diminuzione pressione+fotodissociazione da fotoni solari SCOMPARSA ACQUA LIQUIDA DALLA SUPERFICIE Il meteorite ALH84001 Studi basati su radioattività indicano che il meteorite si è cristallizzato da magma vulcanico sulla superficie di Marte circa 4.5 miliardi di anni fa. Intorno ai 15 milioni di anni fa, in seguito ad un impatto meteorico, il frammento ha lasciato il pianeta, per arrivare sulla Terra approssimativamente 13.000 anni fa. Nel dicembre 1984 il meteorite è stato ricuperato nella zona di Allan Hills, in Antartide, grazie ad una spedizione finanziata dalla fondazione US National Science. Il meteorite ALH84001 DEPOSITI DI CARBONATO Ci sono ampie evidenze che ALH84001 abbia subito alterazioni dovute all’azione dell’acqua e a shocks prima di essere rimosso da Marte. Evidenze di depositi acquatici di sale sono presenti sotto forma di carbonati in strutture simili a “pancakes” appiattiti o nelle fessure appiattite della roccia. Tutti gli indizi circa la possibilità di vita marziana sono raggruppati proprio all’interno di questi globuli di carbonato. Due osservazioni dimostrano che questi depositi di carbonato non possono essere contaminazioni terrestri, ma hanno quindi origine marziana : • La loro età di formazione è > 3.9 Gyr; • I depositi sono stati fisicamente distrutti da un fenomeno che non può essere avvenuto negli ultimi 13000 anni quando la roccia era sulla Terra. Il meteorite ALH84001 INDIZI SU POSSIBILE VITA MARZIANA: Presenza di idrocarburi policiclici aromatici (PAHs) che sono una classe di molecole organiche che potrebbero essere il prodotto di decadimento di entità biologiche; Disequilibrio chimico tra minerali posizionati l’uno accanto all’altro che potrebbe essere prodotto da attività biologica; Presenza di strutture nei globuli di carbonato nelle crepe delle rocce che hanno un aspetto simile ai microbi terrestri; Presenza di piccoli cristalli di magnetite che presentano caratteristiche chimiche e cristallografiche simili a quelle della magnetite prodotta da batteri terrestri. OGNUNA DELLE CARATTERISTICHE OSSERVATE POTREBBE ESSERE PRODOTTA SINGOLARMENTE SIA DA PROCESSI BIOLOGICI CHE GEOCHIMICI, MA LA LORO COMBINAZIONE E’ PIU’ EFFICACEMENTE SPIEGATA DA UN UNICO PROCESSO BIOLOGICO. Il meteorite ALH84001 COMPONENTI ORGANICI COMPONENTI ESOGENE (di origine esterna) L’80% del contenuto organico del meteorite è di origine terrestre; la sorgente di contaminazione principale sembra essere infiltrazione batterica. E’ stato infatti osservato nel meteorite l’ ACTINOMYCETES, un batterio endolitico (che vive dentro la pietra) comune in Antartico. Anche gli amminoacidi individuati sono probabilmente dovuti a contaminazione terrestre. COMPONENTI ENDOGENE (di origine interna) Sembra essere presente anche una componente carbonacea endogena contenuta nei globuli di carbonato. Tali molecole sono i pesanti ed insolubili IDROCARBURI POLICICLICI AROMATICI e IDROCARBURI ALIFATICI. Il meteorite ALH84001 CRISTALLI DI MAGNETITE I piccoli cristalli di magnetite sono concentrati sui bordi dei globuli di carbonato, e sono stati trovati anche al loro interno. Possibili origini: Precipitazione idrotermica; Ossidazione termica dei solfiti; Formazione in situ da decomposizione termica del carbonato indotta da shock; Origine biogenica; Suggerita dalla somiglianza con una particolare categoria di batterio magnetotattico terrestre conosciuto come MV1. Tuttavia recenti lavori sperimentali fanno propendere per un’origine inorganica di questi cristalli di magnetite attraverso dissociazione termica dei carbonati, anche se i cristalli prodotti in laboratorio con queste tecniche non mostrano tutte le caratteristiche presentate da quelli in ALH84001. Il meteorite ALH84001 STRUTTURE OVOIDALI NEI GLOBULI DI CARBONATO I globuli di carbonato in ALH84001 contengono strutture ovoidali molto piccole (20-100nm) che assomigliano a batteri fossili terrestri molto piccoli chiamati NANOBATTERI; alcuni scienziati hanno interpretato queste strutture come microbi fossilizzati. Recenti discussioni hanno però portato a definire 150-200nm come limite inferiore per le dimensioni dei moderni microbi basandosi sulla quantità minima di componenti necessari per il metabolismo e la riproduzione di cellule. E’ tuttavia possibile che le piccole strutture marziane rappresentino un primitivo stadio nell’evoluzione dei microbi. Il meteorite ALH84001 CONCLUSIONI La maggior parte delle osservazioni che in principio erano state presentate per sostenere la presenza di vita fossile su ALH84001 sono state screditate: La maggior parte dei componenti organici sono di origine terrestre, e quelli di origine marziana potrebbero essere stati prodotti da processi non biologici; Il disequilibrio chimico tra minerali adiacenti può essere stato prodotto da eventi multipli; La maggior parte dei presunti fossili sembra essere troppo piccola per rappresentare organismi viventi; I grani di magnetite, considerati la più forte evidenza di vita marziana a causa della forte somiglianza con quelli prodotti da organismi terrestri, potrebbero anch’essi essere stati prodotti da processi non biologici che coinvolgono cristallizzazione in sistemi idrotermici. La speranza è l’ultima a morire.. Studi recenti hanno mostrato che, sebbene vi siano basse probabilità, queste meteoriti sono in grado di trasferire sulla Terra forme di vita marziana. Sulla Terra giunge una meteorite marziana su 10 milioni all'anno e finora, nell'arco di tempo di 2-3 anni, si sono trovati dieci frammenti pesanti più di 100 grammi. Sapendo che diverse specie di spore batteriche popolano spontaneamente le rocce e sono in grado di sopravvivere nello spazio per lo meno 5 anni è plausibile che forme di vita marziane si siano trasferite sul nostro pianeta ..ma la realtà è dura! La sopravvivenza e la propagazione di forme di vita da meteorite al suolo terrestre è tuttavia un evento poco probabile. L'ambiente originale della meteorite è totalmente diverso da qualsiasi luogo della Terra. Marte possiede un‘atmosfera estremamente rarefatta, (più della cima del Monte Everest), quasi priva di O2 e di H2O. Una forma di vita dovrebbe sopravvivere ad una temperatura relativamente elevata rispetto al suo luogo di origine . Biomarcatori Sono utili per determinare se, esaminando alcune entità, si tratti di entità biologiche o meno. Si tratta di sostanze organiche che si conservano per tempi molto lunghi e sopravvivono al decadimento, rimanendo incluse nelle rocce sedimentarie e dunque possono essere una testimonianza dell’antica presenza di forme viventi che non lasciano di solito alcun fossile. I biomarcatori terrestri ci aspettiamo che siano differenti da quelli non-terrestri, a causa delle numerose probabili differenze biochimiche. Esaminiamo brevemente alcuni biomarcatori utilizzati per la vita terrestre per poi vedere come essi possono essere riadattati ed applicati nella ricerca di forme di vite su Marte. Rapporti Isotopici Il rapporto 13C/12C è un indicatore molto importante per quanto riguarda l’esistenza di attività biologica: a causa dei valori differenti dell’energia nel loro stato fondamentale i due isotopi del carbonio partecipano alle reazioni con diversa efficienza. (Frazionamento isotopico) Un basso rapporto isotopico 13C/12C sulla Terra, ovvero un forte arricchimento di 12C, confermerebbe la presenza di attività biologiche. Su Marte le cose sono più complesse: l’atmosfera marziana si arricchisce degli isotopi pesanti disperdendo nello spazio quelli più leggeri, al contrario di quello che dovrebbe accadere per il frazionamento biologico. Cellule Fossili Le cellule possono conservarsi per miliardi di anni in sedimenti consolidati nelle rocce senza essere scaldati. Campioni ben conservati mostrano una morfologia praticamente identica a quella dei moderni organismi unicellulari viventi. Le cellule fossili, inoltre, conservano le loro caratteristiche ed è dunque più facile avere una conferma dell’origine biologica dei campioni prelevati dal suolo Marziano. Purtroppo, però, ci aspettiamo che su Marte i campioni non possano essere preservati in maniera efficiente e che i microbi abbiano strutture differenti rispetto a quelli terrestri. Molecole Organiche Le molecole organiche che si potrebbero trovare sulla superficie marziana potrebbero includere organismi biologici di basso peso molecolare, come alcuni alcani. Molecole più pesanti e più complesse potrebbero essere presenti solo se riuscissero a conservare la loro stabilità chimica nelle condizioni ambientali marziane. Alcune di queste molecole organiche stabili in un ambiente ossidante, come quello di Marte, sono gli amminoacidi; mentre altre biomolecole, come i nucleotidi, non conservano la loro stabilità. La chiralità può essere usata come un test per determinare se la vita su Marte è estinta o è ancora esistente. Le molecole puramente enantiomeriche (che hanno chiralità ed utilizzano entrambe le forme L e D) indicherebbero la presenza di vita, mentre miscugli parzialmente enantiomerici di molecole starebbero ad indicare che la vita è esistita sul pianeta, ma è ormai estinta. Questo test è stato già usato ed è risultato positivo per le semplici molecole (come gli amminoacidi) trovate sui meteoriti marziani; ma per avere la conferma della sua efficacia, si dovrebbe utilizzarlo su molecole ancora più complesse. VULCANI su MARTE L'attività vulcanica è stata molto intensa nel passato, ma ora sembra finita 21 dicembre 2015 La ricerca di vita nell'universo 37 Il 16 gennaio 2009 la Nasa ha comunicato che da Syrtis Major e da Arabia Terra sono uscite imponenti quantità di metano. 2 Possibili fonti: VULCANI oppure... Esseri viventi L’immaginario collettivo I Il 25 luglio 1976 la sonda Viking ha inviato a Terra una fotografia che ha scatenato l’entusiasmo di coloro che credevano l’esistenza dei “marziani”. Le interpretazioni non scientifiche hanno individuato nella foto un monumento artificiale, prova che forme di vita extraterrestri intelligenti avessero abitato o visitato Marte in un certo momento della sua storia. L’immaginario collettivo I In realtà la foto raffigura uno dei molti altopiani disseminati nella regione marziana. Le sembianze antropomorfe sono quindi dovute ad una combinazione di angolo d'illuminazione, bassa risoluzione della foto e tendenza del cervello umano a riconoscere motivi familiari, specialmente volti (pareidolia). Infine, un'interruzione nella trasmissione dati dalla Viking 1 creò una macchia nera esattamente in corrispondenza dell'ipotetica narice. L’immaginario collettivo II Recentemente una fotografia inviata dai rover Spirit e Opportunity ha messo nuovamente in subbuglio coloro che credono all’esistenza di vita intelligente su Marte. Si tratta di scatti che mostrerebbero una figura umana, sull’orlo di un dirupo. Con tutta probabilità si tratta di una roccia erosa (analogalmente al Volto di Marte). Cosa possiamo dire allora? Non abbiamo prove certe che la vita sia o meno esistita su Marte. Ciò di cui la vita ha bisogno per evolvere è certamente l’acqua e quello che si osserva è un pianeta sul quale, nel passato, doveva essere presente l’acqua: questo porterebbe a dire che Marte poteva ospitare un tempo qualche forma di vita. In realtà non è detto che basti l’acqua per far sì che la vita si evolva: con le nostre conoscenze scientifiche attuali non possiamo affermarlo con sicurezza, non sapendo nemmeno come sia nata la vita sulla Terra. Per ora possiamo dire che se esistono condizioni di tipo terrestre su un altro pianeta, allora si può supporre che la vita lì possa eventualmente svilupparsi. Cosa possiamo fare allora? Il solo modo per rispondere alle nostre domande è andare su Marte e verificare di persona. Se andando su Marte si troveranno forti evidenze dell’esistenza di vita, presente o passata, allora potremo dire che la vita quasi Certamente può svilupparsi in qualsiasi altro pianeta simile alla Terra. Se invece si scoprisse che su Marte vi erano tutte le condizioni necessarie per l’evoluzione della vita (presenza di acqua, atmosfera) ma che essa non si è mai sviluppata, allora saremmo indotti ad essere più pessimisti nel predire l’esistenza di altre forme di vita su altri pianeti. Programma di esplorazione 2008: tre missioni operative su Marte: • Mars Global Surveyor (MGS) •Mars Odyssey •Mars Express Esse ci forniscono numerose informazioni riguardanti le condizioni geologiche della crosta marziana che saranno utili per la scelta di siti di atterraggio per le missioni future, con un interesse particolare per quelle zone che mostrano un’attività idrotermale. Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera Thermal Emission Spectrometer •Immagini di processi che implicano la presenza di acqua liquida •Presenza di minerali (magari legati alla presenza di acqua) •Mapping della geologia di possibili siti di atterraggio •Storia della crosta marziana Mars Orbiter Laser •Topografia del pianeta Mars Odyssey Thermal Emission Imaging System •Fornisce mappe spettrali ad alta risoluzione spaziale complementari a quelle del TES di MGS Gamma Ray Spectrometer + Neutron Spectrometer •Mappano l’abbondanza di idrogeno nelle vicinanze della superficie, principalmente nelle molecole d’acqua Nel febbraio 2005 sono arrivati sulla superficie di Marte i primi rover, destinati a compiere delle operazioni sulla superficie marziana, soprattutto in luoghi rilevanti per l’ipotetica presenza di acqua, come in Sinus Meridiani dove è grande la presenza di ematite, o nel cratere Gusev che potrebbe aver ospitato un antico lago. Planetary Fourier Spectrometer •Composizione dell’atmosfera nell’infrarosso e nellìultravioletto Atmospheric Spectrometer •Studio delle cause delle alte proprietà ossidanti dell’atmosfera di Marte Missioni recenti Phoenix Il lander è stato lanciato ad alte latitudini in modo da poter analizzare da vicino le superfici polari ghiacciate. Il suo principale obbiettivo sarà di determinare gli effetti chimici dovuti alla presenza di ghiaccio e anche di cercare eventuali reazioni chimiche organiche dovute alla presenza di acqua. Credits www.badastronomy.com www.msss.com www.mars.jpl.nasa.gov www.static.howstuffworks.com www.marsrovers.nasa.gov www.athena.cornuell.ed www.news.bbc.co.uk www.molecularlab.it www.esa.int Segura et al. (2002) Sullivan & Baross: Planets and life, Cambridge University Press (2007)