Nei secoli, ci siamo sempre chiesti se esistessero altri mondi e altre forme di vita sulla superficie di questi. Questo argomento è stato considerato spesso “fantascienza” fino a pochi decenni fa, ma ora sta diventando sempre più realistico: in realtà, pianeti diversi esistono ed alcuni di essi possono ospitare la vita. Ad oggi, un archivio di più di 7000 pianeti confermati o candidati è costantemente aggiornato, al passo con gli strumenti che ne scoprono sempre di più - solo nella nostra Galassia, decine di miliardi di nuovi pianeti aspettano di essere scoperti. Essendo la planetologia extrasolare un campo relativamente nuovo dell'astrofisica, molte cose devono essere ancora studiate. In questo caso, una caratterizzazione più dettagliata delle possibili atmosfere di esopianeti di tipo terrestre è necessaria per comprendere meglio le osservazioni; inoltre, bisognerebbe ricavare informazioni sulla loro formazione e poter presumere se, ed in quali casi, forme di vita potrebbero esistere su quei pianeti. Per fare ciò, un approccio teorico è necessario: simulando un pianeta in maniera semplificata, si potrebbe avere una migliore comprensione di come tutti i processi attivi interagiscono tra loro e quali osservabili producono, affinché possano essere identificate quando si osserva un vero esopianeta. In questo progetto di Dottorato, ho esplorato l'argomento da diversi punti di vista, iniziando con una sintesi dei metodi di scoperta, di ciò che è noto ad oggi sulle Super Terre (pianeti terrestri massivi), e del concetto di abitabilità. In una prospettiva di un trattamento standardizzato dei dati, il quale possa rientrare nei canoni del Virtual Observatory (VO), ho sviluppato Exo-MerCat al fine di collezionare dati dai più importanti archivi online, incrociando le informazioni e correggendo problemi di nomenclatura, status e coordinate. Questo catalogo è ora una risorsa VO ed è stato accettato positivamente dall'International Virtual Observatory Alliance (IVOA), oltre ad essere usato per le missioni spaziali PLATO e ARIEL. Exo-MerCat ha permesso di ricavare l'insieme di Super Terre note, usato poi per creare una griglia di modelli atmosferici utilizzata dal modello 1D radiativo-convettivo MAGRATHEA, che ho contribuito a sviluppare. MAGRATHEA riesce a riprodurre atmosfere di tipo terrestre e marziano, coprendo un largo intervallo di parametri fisici e chimici. Il codice calcola il profilo di equilibrio radiativo-convettivo di una atmosfera in poche ore di tempo computazionale, consentendoci di riempire una griglia di 18000 modelli di pianeti teorici e una di 2400 modelli di pianeti osservati, ricavati dall'insieme prodotto da Exo-MerCat. Questi modelli possono essere utili per studiare sotto quali condizioni fisiche e atmosferiche è possibile trovare acqua liquida sulla superficie di un pianeta, requisito essenziale per l'abitabilità degli esopianeti. I modelli atmosferici delle Super Terre osservate ricavati da MAGRATHEA sono stati usati come input per l'Exoplanet Ozone Model al fine di produrre la concentrazione di ozono corrispondente ai profili stessi. Questo codice è, al momento, ancora preliminare, ma può riprodurre il profilo dell'abbondanza di ozono di una atmosfera risolvendo la chimica foto-indotta e termica delle specie legate all'ossigeno. I risultati teorici ottenuti dai vari codici sono utili agli esperimenti di laboratorio effettuati al Dipartimento di Biologia dell'Università di Padova. Considerando alcune atmosfere calcolate da MAGRATHEA, si possono riprodurre le condizioni fisiche e chimiche alla superficie in laboratorio, formando atmosfere esotiche ed esponendo cianobatteri a queste. Lo studio della sopravvivenza e dell'adattamento dei batteri, così come della variazione della composizione chimica causata dall'attività biologica, può essere eseguito. Ciò è indispensabile per comprendere se, e sotto quali condizioni, un pianeta abitabile può essere effettivamente abitato.

Habitability Studies of Super Earths Atmospheres

Alei, Eleonora
2019

Abstract

Nei secoli, ci siamo sempre chiesti se esistessero altri mondi e altre forme di vita sulla superficie di questi. Questo argomento è stato considerato spesso “fantascienza” fino a pochi decenni fa, ma ora sta diventando sempre più realistico: in realtà, pianeti diversi esistono ed alcuni di essi possono ospitare la vita. Ad oggi, un archivio di più di 7000 pianeti confermati o candidati è costantemente aggiornato, al passo con gli strumenti che ne scoprono sempre di più - solo nella nostra Galassia, decine di miliardi di nuovi pianeti aspettano di essere scoperti. Essendo la planetologia extrasolare un campo relativamente nuovo dell'astrofisica, molte cose devono essere ancora studiate. In questo caso, una caratterizzazione più dettagliata delle possibili atmosfere di esopianeti di tipo terrestre è necessaria per comprendere meglio le osservazioni; inoltre, bisognerebbe ricavare informazioni sulla loro formazione e poter presumere se, ed in quali casi, forme di vita potrebbero esistere su quei pianeti. Per fare ciò, un approccio teorico è necessario: simulando un pianeta in maniera semplificata, si potrebbe avere una migliore comprensione di come tutti i processi attivi interagiscono tra loro e quali osservabili producono, affinché possano essere identificate quando si osserva un vero esopianeta. In questo progetto di Dottorato, ho esplorato l'argomento da diversi punti di vista, iniziando con una sintesi dei metodi di scoperta, di ciò che è noto ad oggi sulle Super Terre (pianeti terrestri massivi), e del concetto di abitabilità. In una prospettiva di un trattamento standardizzato dei dati, il quale possa rientrare nei canoni del Virtual Observatory (VO), ho sviluppato Exo-MerCat al fine di collezionare dati dai più importanti archivi online, incrociando le informazioni e correggendo problemi di nomenclatura, status e coordinate. Questo catalogo è ora una risorsa VO ed è stato accettato positivamente dall'International Virtual Observatory Alliance (IVOA), oltre ad essere usato per le missioni spaziali PLATO e ARIEL. Exo-MerCat ha permesso di ricavare l'insieme di Super Terre note, usato poi per creare una griglia di modelli atmosferici utilizzata dal modello 1D radiativo-convettivo MAGRATHEA, che ho contribuito a sviluppare. MAGRATHEA riesce a riprodurre atmosfere di tipo terrestre e marziano, coprendo un largo intervallo di parametri fisici e chimici. Il codice calcola il profilo di equilibrio radiativo-convettivo di una atmosfera in poche ore di tempo computazionale, consentendoci di riempire una griglia di 18000 modelli di pianeti teorici e una di 2400 modelli di pianeti osservati, ricavati dall'insieme prodotto da Exo-MerCat. Questi modelli possono essere utili per studiare sotto quali condizioni fisiche e atmosferiche è possibile trovare acqua liquida sulla superficie di un pianeta, requisito essenziale per l'abitabilità degli esopianeti. I modelli atmosferici delle Super Terre osservate ricavati da MAGRATHEA sono stati usati come input per l'Exoplanet Ozone Model al fine di produrre la concentrazione di ozono corrispondente ai profili stessi. Questo codice è, al momento, ancora preliminare, ma può riprodurre il profilo dell'abbondanza di ozono di una atmosfera risolvendo la chimica foto-indotta e termica delle specie legate all'ossigeno. I risultati teorici ottenuti dai vari codici sono utili agli esperimenti di laboratorio effettuati al Dipartimento di Biologia dell'Università di Padova. Considerando alcune atmosfere calcolate da MAGRATHEA, si possono riprodurre le condizioni fisiche e chimiche alla superficie in laboratorio, formando atmosfere esotiche ed esponendo cianobatteri a queste. Lo studio della sopravvivenza e dell'adattamento dei batteri, così come della variazione della composizione chimica causata dall'attività biologica, può essere eseguito. Ciò è indispensabile per comprendere se, e sotto quali condizioni, un pianeta abitabile può essere effettivamente abitato.
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