Attività di ricerca in Astrofisica: Planetologia

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1 VIII Scuola Estiva di Fisica 2015 Attività di ricerca in Astrofisica: Planetologia Vincenzo Orofino

2 IL SISTEMA SOLARE Sistema costituito da una stella centrale (il Sole), da otto pianeti che le orbitano intorno, e da altri corpi minori.

3 IL SISTEMA SOLARE Posizione nella Galassia

4 I PIANETI (fino al 2006) Corpi posti in orbita intorno al Sole, aventi forma regolare e raggio maggiore di 1000 km (vecchia definizione). Numero di pianeti: 9 - Plutone incluso

5 I PIANETI (dopo il 2006) Si adotta una nuova definizione di pianeta (vedi in seguito). X Numero di pianeti: 8 - Plutone classificato come planetoide

6 I CORPI MINORI Corpi (planetoidi, satelliti dei pianeti, asteroidi, comete e meteoroidi) di dimensioni minori rispetto a quelle dei pianeti.

7 I CORPI MINORI Caratteristiche orbitali A parte i satelliti, si raggruppano nella Fascia Principale (zona di separazione tra Sistema Solare interno ed esterno) e nella Fascia di Kuiper e Nube di Oort.

8 I PIANETI Caratteristiche orbitali Sono suddivisi in pianeti interni (terrestri) e pianeti esterni (giganti).

9 I PIANETI Caratteristiche orbitali Bassa eccentricità (e << 1), a parte Mercurio (e 0.2) Quasi complanarità con l orbita terrestre, a parte Mercurio (i 7 ) Rotazione orbitale diretta (prograda), senza eccezioni, come molte comete e tutti gli asteroidi conosciuti.

10 I PIANETI Caratteristiche fisiche Tutti mostrano all osservazione telescopica dimensioni angolari finite. Tutti possiedono satelliti (eccetto Mercurio e Venere); alcuni hanno sistemi di anelli. Tutti sono dotati di atmosfera stabile (eccetto Mercurio). I pianeti terrestri (rocciosi, con pochi satelliti e privi di anelli) sono separati da quelli giganti (principalmente gassosi, con molti satelliti e dotati di anelli) dalla Fascia degli asteroidi.

11 I PIANETI Caratteristiche fisiche Inclinazioni assiali NOTA: contrariamente alle aspettative, i pianeti terrestri hanno basse inclinazioni assiali

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13 I PIANETI Estrema peculiarità di Plutone per massa, dimensioni e periodo di rotazione assiale, rispetto ai pianeti esterni; per densità, inclinazione assiale e numero di satelliti, rispetto ai pianeti interni; per tipo di atmosfera e per inclinazione ed eccentricità dell'orbita, rispetto a tutti i pianeti. Necessità di classificare Plutone (antico satellite di Nettuno?) come planetoide o pianeta nano.

14 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE La nebulosa originaria e le altre nebulose Oltre alle stelle, nella Galassia sono presenti nubi di gas e polvere dette nebulose. Il gas è composto da idrogeno (89%), elio (10%) ed altri elementi in tracce (carbonio, azoto, ossigeno). La polvere è costituita da piccole particelle (grani) composte da silicati e materiali carboniosi.

15 M16 nella costellazione del Serpente

16 M16 nella costellazione del Serpente

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18 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Il collasso della nebulosa originaria La densità della nube non è omogenea: a causa delle fluttuazioni casuali di densità, si creano addensamenti di materia che, per effetto della gravità, iniziano ad attrarre la materia circostante, accrescendosi rapidamente. In breve tempo la nube si disgrega in genere in tanti frammenti in contrazione. In uno di questi frammenti (nebulosa presolare) la materia cade verso l addensamento centrale da cui si forma il Sole.

19 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Dal disco protoplanetario ai pianeti 1) Collasso della nube presolare 2) Formazione del disco protoplanetario (con il protosole al centro) 3) Formazione dei planetesimi (per aggregazione dei grani di polvere) 4) Formazione degli embrioni planetari (per aggregazione dei planetesimi) 5) Formazione dei pianeti (per cattura dei planetesimi da parte degli embrioni).

20 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE

21 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Migrazioni planetarie Circa 10 9 anni dopo la loro formazione Urano e Nettuno sono migrati verso l esterno e Nettuno ha superato Urano diventando il pianeta più esterno.

22 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Nuova definizione di pianeta (Risoluzione 5A dell Assemblea Generale IAU 2006) Si definisce pianeta un corpo che: a) orbita intorno al Sole; b) ha massa sufficiente per assumere una forma regolare (quasi sferica); c) ha ripulito da altri corpi le regioni limitrofe alla sua orbita. Si definisce pianeta nano o planetoide un corpo che soddisfa le condizioni (a) e (b) ma non la (c). Un pianeta nano è membro di una fascia di corpi da cui non si sono mai formati pianeti.

23 I CORPI MINORI

24 I PIANETI NANI

25 I CORPI MINORI Vengono catalogati tra i corpi minori anche i grandi satelliti, in quanto in orbita intorno a un corpo diverso dal Sole.

26 IL PIANETA MARTE Marte osservato dall Hubble Space Telescope

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28 La superficie di Marte ripresa dal MER03 Spirit

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30 CONDIZIONI CLIMATICHE ATTUALI Temperatura superficiale media globale: 60 C Pressione atmosferica al suolo (95% CO 2 ): 7 mbar Pressione parziale del vapor acqueo: mbar Precipitazioni (pioggia o neve) impossibili. Acqua allo stato liquido instabile in superficie (solidifica e poi sublima molto rapidamente); suolo molto secco.

31 CONDIZIONI CLIMATICHE ATTUALI: Marte gelido deserto. CONDIZIONI CLIMATICHE PASSATE: Temperatura superficiale e pressione atmosferica al suolo sufficientemente alte da permettere la presenza di acqua allo stato liquido?

32 Sistemi di canali dendritici

33 Cratere paleolacustre in Memnonia

34 Cratere Gusev e Ma adim Vallis

35 Topografia 3D del sistema Cratere Gusev - Ma adim Vallis

36 Oceanus Borealis

37 Riepilogo indizi geologici: Presenza di parecchi canali, ossia solchi incisi nel terreno che sembrano essersi formati nel passato per l attività di qualche tipo di acqua corrente (canali diversi da quelli di Schiaparelli). Presenza di bacini di aspetto paleolacustre. Presenza di bassipiani probabilmente occupati da un antico oceano marziano (Oceanus Borealis). Suggerimento da tutti gli indizi di varia natura: grandi quantità di acqua liquida presenti nel passato su Marte e quindi (stante l estrema instabilità attuale) clima passato completamente diverso da quello odierno.

38 EVOLUZIONE CLIMATICA DEL PIANETA Primo miliardo di anni ( 4.6 Ga t 3.5 Ga): Atmosfera densa attività vulcanica in grado di compensare le perdite di CO 2 dovute alla fuga verso lo spazio Effetto serra rilevante superficie riscaldata oltre il punto di fusione del ghiaccio Condizioni climatiche relativamente calde ed umide

39 EVOLUZIONE CLIMATICA DEL PIANETA Periodi successivi (t 3.5 Ga): Atmosfera rarefatta ridotta attività vulcanica non più in grado di compensare le perdite di CO 2 Effetto serra insufficiente Condizioni climatiche fredde e secche

40 Marte oggi Marte ieri?

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42 IPOTESI ALTERNATIVA Clima marziano sempre simile all attuale Origine dei canali: cedimento strutturale del terreno dovuto a sorgenti idrotermali Origine delle terrazze: non erosionale (ad es. sovrapposizione di strati di lava solidificata) Interpretazione delle analisi fisico-chimiche: risultati non incompatibili con la passata esistenza sul pianeta di moderate quantità di acqua liquida per brevi periodi di tempo CONCLUSIONE: la storia climatica del pianeta rimane ancora incerta.

43 Carbonati e Argille: sostanze molto diffuse sulla Terra dove spesso danno origine a depositi presenti in forma compatta (rocce) o incoerente (sabbie) sul fondo dei laghi e dei mari. Calcite - Carbonato di calcio Deposito di argilla

44 IMPORTANZA DEI CARBONATI E DELLE ARGILLE Presenza di depositi carbonatici e/o argillosi in particolari aree marziane. Antica e duratura presenza d acqua liquida in tali aree (la genesi di questi depositi richiede un ambiente acquoso in cui avvenga la lenta formazione dei carbonati e delle argille). Paleoclima di Marte molto diverso da quello attuale e in grado di permettere la stabilità dell acqua allo stato liquido.

45 Lo spettrometro PFS (ESA - Mars Express) Lo spettrometro CRISM (NASA - Mars Reconnaissance Orbiter)

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47 Confronto

48 LINEE DI RICERCA A LECCE Progettazione e realizzazione dello spettrometro PFS [conclusa] Ricerca di aree marziane che sembrano più promettenti per l'individuazione di depositi paleolacustri [conclusa] Analisi spettrale in laboratorio di carbonati ed argille in varie condizioni fisiche [in atto] Confronto degli spettri sintetici (ottenuti dai dati sperimentali tramite modelli di trasporto radiativo) con gli spettri delle aree marziane da noi selezionate, ottenuti dal PFS e dal CRISM [in atto]

49 Posizione dei siti sulla superficie marziana Orofino V., et al. (2009) Icarus, 200, 426

50 Sito N.20 Sistema semplice Sito N.12 Sistema complesso Orofino V., et al. (2009) Icarus, 200, 426

51 RISULTATI OTTENUTI Roush, T.L., et al. (2011), Icarus, 214, 240 Le bande a 1.4, 1.9 e 2.3 mm micron sono visibili negli spettri CRISM. Nelle aree esaminate sono presenti depositi argillosi

52 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Nei siti analizzati era un tempo effettivamente presente acqua allo stato liquido per un tempo abbastanza lungo da permettere la formazione dei depositi argillosi (incerta però l esistenza di un vero e proprio lago). Nell immediato futuro verranno analizzati altri bacini della nostra lista per vedere che anch essi ospitano depositi argillosi. In caso positivo si avranno importantissime implicazioni sul paleoclima marziano (ed anche terrestre) e sulla possibilità di vita sul pianeta.

53 The Solar System A Tour through our Solar System Documentari Astronomia - I misteri di Marte L'esplorazione del pianeta rosso

54 LE COMETE Missione Rosetta Sonda lanciata nel 2004 verso la cometa Churyumov-Gerasimenko

55 Nuclei cometari: corpi minori del Sistema Solare formatisi nelle parti esterne di quest ultimo e costituiti da ghiacci e rocce.

56 Asteroidi: corpi minori del Sistema Solare formatisi nelle parti interne di quest ultimo (tra Marte e Giove) e costituiti esclusivamente da materiale roccioso. Gaspra Eros Mathilde

57 LE COMETE Struttura

58 Dimensioni caratteristiche

59 LE COMETE Struttura: il nucleo Nucleo: solido e irregolare, costituisce la parte permanente di una cometa. Il nucleo della cometa Halley: una mistura di ghiacci e materiale roccioso (Palla di neve sporca)

60 LE COMETE Struttura: le code Code: flusso di gas e polvere che si allontanano dal nucleo. Le due code della cometa Hale-Bopp

61 Le code di polvere della cometa West

62 La coda della cometa Ikeya - Zhang

63 Aspetto di una cometa lungo la sua orbita

64 La cometa Churyumov-Gerasimenko (67/P C-G) osservata da Terra

65 La cometa 67/P C-G osservata da Rosetta

66 La cometa 67/P C-G osservata da Rosetta

67 Fotomosaico ad alta risoluzione

68 Ricostruzione 3D del nucleo della 67/P C-G

69 Dimensioni del nucleo della 67/P C-G

70 Eventi del 12 Novembre 2014 PHILAE Ore 8.35 GMT: il lander Philae si stacca dalla nave-madre (a 22 km dal nucleo).

71 Eventi del 12 Novembre 2014 Philae fotografa il suo obiettivo (da un altezza di 3 km) X Sito d atterraggio previsto

72 Eventi del 12 Novembre 2014 Scenario di atterraggio previsto

73 Eventi del 12 Novembre 2014 Ore GMT: il travagliato accometaggio

74 Eventi del 12 Novembre 2014 Filae fotografato dalla nave-madre

75 Prima immagine di Philae dal nucleo Eventi del 12 Novembre 2014

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78 Lo spettrometro ad immagine VIRTIS

79 Confronto

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83 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Fasi iniziali: formazione del disco protoplanetario

84 FORMAZIONE DEL SISTEMA SOLARE Fasi intermedie e finali

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86 DESTINO FINALE DELLE ACQUE DELL OCEANUS BOREALIS Evaporazione con fuga nello spazio e parziale deposizione ai poli (sotto forma di ghiaccio). Infiltrazione nel sottosuolo, con successivo intrappolamento nel permafrost Congelamento sul posto sotto uno strato protettivo di sabbia e polvere (contro la sublimazione).

87 Orbita della cometa 67/P C-G Attuale distanza perielica dal Sole: 1.3 UA (2.7 UA fino al 1959)

88 Getti dalla cometa 67/P C-G 31 Gennaio 25 Marzo 2015

89 Messaggere di sventura: rischi reali? Possibili impatti con la Terra?

90 Impatti meteoritici sulla Terra: il Meteor Crater in Arizona

91 L evento Tunguska 7:17 30/6/1908

92 Messaggere della vita: comete portatrici di acqua sulla Terra? Possibili impatti con la Terra

93 Messaggere della vita: comete portatrici di amminoacidi 2009 : Scoperta della glicina nella Wild 2

94 Messaggere della vita: comete portatrici di acqua sulla Terra? Per Halley, Hyakutake, Hale-Bopp, Tuttle, C/2002 T7 (dalla Nube di Oort): Per [n(d)/n(h)] Halley. Hyakutake COMETA 2 [n(d)/n(h)], Hale-Bopp TERRA, Tuttle, C/2002 T7(dalla Nube di Oort): [n(d)/n (H)] COMETA 2 [n(d)/n (H)] TERRA Per Hartley 2 (dalla Fascia di Kuiper): [n(d)/n(h)] COMETA [n(d)/n(h)] TERRA Per Hartley 2 (dalla Fascia Esterna di Kuiper): Per Churyumov-Gerasimenko (dalla Fascia di Kuiper): [n(d)/n (H)] COMETA [n(d)/n(h)] TERRA [n(d)/n(h)] COMETA 3 [n(d)/n(h)] TERRA Conclusione: Conclusione: (ROSINA) Comete come la Hartley 2 possono aver portato l acqua contenuta negli oceani terrestri Non tutte le comete della Fascia di Kuiper sono state portatrici di acqua sulla Terra.