Da dove viene l’acqua del nostro pianeta? Domanda legittima e tutt’altro che retorica, visto che alla presenza di acqua liquida si deve il fiorire delle forme di vita che caratterizza la Terra. Decisamente complicato, però, trovare una risposta. Tutti gli astronomi concordano che non può certamente risalire alle fasi di costruzione del pianeta, aggregatosi circa 4 miliardi e mezzo di anni fa da planetesimi via via sempre più grandi. Alla distanza in cui si stava formando la Terra, la temperatura della nebulosa solare era troppo elevata perché vi fosse la presenza di acqua liquida. Nelle regioni più distanti dal Sole, al contrario, vi era grande disponibilità di acqua ghiacciata; inevitabile, dunque, che gli scenari proposti dagli astronomi abbiano ipotizzato modi efficaci perché quell’acqua potesse giungere dalle parti della Terra.
L’idea corrente – anche se, ultimamente, le vengono mosse alcune critiche – è che, una volta completata l’accrezione planetaria, il Sistema solare interno sia stato teatro di un intenso bombardamento da parte di asteroidi e comete provenienti dalle regioni più esterne, ed è indagando in tale direzione che si è principalmente provato a trovare una sorgente attendibile.
L’immagine, diffusa da USGS (United States Geological Survey), mostra il confronto tra le dimensioni della Terra e quelle di una ipotetica sfera che contenga tutta l’acqua presente sul nostro pianeta. Illustrazione di Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution
Il ruolo delle comete
Se consideriamo l’abbondanza di acqua che le caratterizza – evidente nella produzione della chioma e della coda quando il loro percorso orbitale le porta ad avvicinarsi al Sole – le comete sono ovviamente tra i corpi celesti potenzialmente più idonei a trasportare l’acqua sulla Terra. Il problema di fondo, emerso in più occasioni studiando la composizione di alcune comete, è che l’acqua terrestre e l’acqua cometaria sono isotopicamente differenti. In altre parole, i rapporti tra le quantità di atomi di deuterio (D) e quelli di idrogeno (H) che compongono le molecole d’acqua terrestre e quella cometaria non sono gli stessi: nelle comete il rapporto D/H è da una a tre volte più elevato di quello che caratterizza gli oceani terrestri. La diretta conseguenza di simili differenze è sempre stata che le comete possano aver contribuito solamente in parte al patrimonio idrico della Terra. Per le poche comete provenienti dalla Nube di Oort delle quali possediamo le misurazioni del rapporto D/H si registrano risultati contrastanti. Dei cinque oggetti esaminati, infatti, alcuni mostrano un valore simile a quello terrestre, mentre per altri il valore è addirittura il doppio.
La stessa ambigua situazione caratterizza anche le comete appartenenti alla cosiddetta Famiglia di Giove e provenienti dalla meno remota Fascia di Kuiper. Le prime misurazioni del rapporto D/H per tali comete vennero effettuate nel 2011 dall’Herschel Space Observatory e per entrambe le comete osservate la composizione isotopica dell’acqua risultò molto simile a quella dell’acqua terrestre. Completamente differenti, invece, i dati ottenuti nel 2014 dalla sonda Rosetta e relativi alla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko – anch’essa della famiglia di Giove – il cui rapporto D/H è risultato addirittura triplo rispetto a quello dell’acqua terrestre.
Questa ampia variazione del rapporto D/H viene generalmente interpretata come l’impronta lasciata dalle differenti regioni d’origine dei corpi cometari. Il fatto che questa dicotomia la si riscontri sia tra le comete della Nube di Oort che tra quelle della Fascia di Kuiper indicherebbe che le regioni d’origine si estendano su ampi intervalli di distanza dal Sole e che tali regioni, non confinate in modo netto, finiscano con il sovrapporsi.
Un recentissimo studio condotto dal team internazionale coordinato da Dariusz Lis (JPL e Observatoire de Paris) ha però individuato un possibile meccanismo potenzialmente in grado di giustificare le differenze nei rapporti D/H. Il lavoro è stato pubblicato a metà maggio su Astronomy & Astrophysics e riguarda le osservazioni spettroscopiche della cometa 46P/Wirtanen condotte con lo strumento GREAT a bordo di SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), un Boeing 747 appositamente attrezzato per ospitare un telescopio da 2,7 metri di diametro e compiere osservazioni volando a una quota di 12 chilometri. I dati raccolti dal team di Lis indicavano per la cometa 46P/Wirtanen un rapporto D/H molto simile a quello dell’acqua terrestre, ma a suggerire ai ricercatori un possibile nuovo scenario è stato il fatto che le tre comete della famiglia di Giove per le quali si è registrato un rapporto isotopico compatibile con la nostra acqua appartengano alla categoria delle comete iperattive.
SOFIA in azione al di sopra delle cime della Sierra Nevada, in California. Chiaramente visibile, attraverso l’ampia apertura della carlinga, il telescopio che lo equipaggia. Crediti: NASA / Jim Ross
Gli astronomi utilizzano l’aggettivo “iperattiva” per indicare una cometa che rilascia una quantità d’acqua superiore a quanto ci si potrebbe aspettare considerando le dimensioni del suo nucleo. Tale eccesso di produzione d’acqua sarebbe riconducibile alle particelle ghiacciate espulse dal nucleo e presenti nella sua atmosfera. La cosa sorprendente è che, quando i ricercatori hanno determinato la cosiddetta “frazione attiva”, cioè la frazione della superficie del nucleo necessaria a produrre tutta l’acqua dell’atmosfera cometaria, hanno scoperto un’importante correlazione: più una cometa tendeva ad essere iperattiva, più il rapporto D/H che caratterizzava la sua acqua tendeva ad avvicinarsi ai valori dell’acqua terrestre. Secondo Lis e collaboratori, questo potrebbe indicare che l’elevato rapporto D/H osservato per le comete che producono acqua solamente dalle regioni attive superficiali non rispecchierebbe l’esatta composizione isotopica del ghiaccio presente nel loro nucleo. Al contrario, il rapporto D/H osservato nelle comete iperattive sarebbe più rappresentativo della loro composizione interna. Se questa ipotesi venisse confermata, l’obiezione che l’acqua cometaria sia isotopicamente incompatibile con quella terrestre non avrebbe più fondamento e le comete ritornerebbero a pieno titolo in corsa quali remote sorgenti dei nostri oceani.
Lo scontro con Theia
Praticamente negli stessi giorni in cui Lis e collaboratori pubblicavano il loro articolo, su Nature Astronomy appariva lo studio di tre planetologi dell’Università di Münster che apriva un nuovissimo scenario nel dibattito relativo all’origine dell’acqua terrestre. Gerrit Budde, Christoph Burkhardt e Thorsten Kleine, infatti, hanno collegato l’arrivo dell’acqua sul nostro pianeta al violento impatto che 4,4 miliardi di anni fa diede origine alla Luna. Lo scenario del grande impatto non è nuovo e prevede che un corpo celeste – al quale è stato dato il nome di Theia – abbia colpito violentemente il nostro pianeta causando l’inevitabile espulsione nello spazio circostante di una grande quantità di detriti; dalla successiva aggregazione di tali detriti avrebbe rapidamente preso forma il nostro satellite. Finora, però, nessuno aveva mai messo in relazione quell’evento catastrofico con l’acqua.
Per i tre planetologi, la chiave per collegare l’impatto alla presenza di acqua sul nostro pianeta sarebbero gli isotopi di molibdeno, un elemento che, permettendoci di distinguere i materiali carbonacei (più ricchi d’acqua) da quelli non carbonacei (più asciutti) potrebbe indicarci per l’acqua terrestre una ricca sorgente differente dall’apporto cometario. La composizione isotopica del molibdeno terrestre si situa a cavallo tra quella delle meteoriti carbonacee e quelle non carbonacee, segno che parte del molibdeno terrestre è certamente dovuto a oggetti provenienti dalle regioni più esterne e ricche d’acqua della nebulosa solare.
Appurata questa possibilità, i ricercatori hanno chiamato in causa un’altra interessante caratteristica del molibdeno: la sua propensione a formare composti con il ferro. Una particolarità che avrebbe dovuto confinare nel nucleo terrestre gran parte della disponibilità di molibdeno accumulato dalla Terra nella sua accrezione. Come spiegare, allora, la presenza del molibdeno oggi accessibile nel mantello terrestre? L’idea di Budde e collaboratori è che questo molibdeno sia arrivato sul pianeta in una fase successiva alla formazione del suo nucleo. Inevitabilmente, però, una simile conclusione comporta che, quando ormai la formazione del pianeta era alle fasi conclusive, la Terra abbia accumulato abbondanti quantità di materiale carbonaceo ricco d’acqua.
Il devastante impatto con Theia, insomma, non si limiterebbe a spiegare solamente la nascita del nostro satellite. Se le prove raccolte dai tre planetologi e le conseguenti deduzioni verranno confermate, questo oggetto grande come Marte proveniente dalle regioni più esterne del Sistema solare potrebbe essere dunque il responsabile unico della preziosa riserva d’acqua del nostro pianeta. Capitolo chiuso, allora? Anche se, come è lecito attendersi, Budde, Burkhardt e Kleine ne sono assolutamente convinti, credo sia davvero troppo presto per dirlo.
