Oggi gli scienziati sono abbastanza sicuri di quanto tempo esiste il nostro universo: sono passati 13,8 miliardi di anni, danno o impiegano 59 milioni di anni, da quando il cosmo è scoppiato a essere attraverso il Big Bang. Ma sono molto meno certi di una domanda correlata: quando potrebbe essere sorta la vita, da qualche parte là fuori? Il nostro sistema solare ha formato solo 4,6 miliardi di anni fa, dopo che erano già trascorsi due terzi del tempo cosmico, e la vita sembra essere avvenuta qui non appena la Terra si è raffreddata dalla sua nascita infuocata agli oceani del porto di acqua liquida.
Potremmo essere i primi arrivi nell’universo o persino i primi? O siamo invece in ritardo alla festa, con la vita che spunta molto prima nella storia dell’universo? Determinare i tempi dei prerequisiti cruciali per la vita come sappiamo che sarebbe utile qui: vale a dire, quando ha fatto acqua stessa prima, e quando potrebbe trovare un bel pianeta da accontentarsi di un posto?
Questa linea di pensiero è ciò che ha ispirato un nuovo documento, pubblicato sulla rivista Nature Astronomy, Ciò ha guardato quanta acqua potrebbe essere stata prodotta da alcune delle prime stelle-e ha scoperto che avrebbero potuto arricchire l’universo con la molecola che sostiene la vita sorprendentemente presto. Uno studio di preprint di follow-up da parte di un gruppo che include gli stessi autori, presentato per la pubblicazione sulla rivista Scienza, Suggerisce che i pianeti rocciosi e potenzialmente con l’oceano potrebbero essersi uniti da questo materiale ricco di acqua non molto tempo dopo.
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“Ciò che le nostre simulazioni hanno mostrato è che potresti ottenere siti per la formazione di pianeti già arricchiti con livelli di acqua simili a (quelli in) il sistema solare oggi solo 200 milioni di anni dopo il Big Bang”, afferma Daniel Whalen, un astrofisico all’Università di Portsmouth in Inghilterra e autore principale di entrambi gli studi.
Per comprendere le implicazioni, immagina, per un momento, che i 13,8 miliardi di anni di storia dell’universo siano stati compressi in una durata umana di 70 anni. I risultati di Whalen e dei suoi colleghi suggeriscono che le condizioni abitabili avrebbero potuto esistere quando questo essere cosmico ormai elderly aveva solo un anno. La finestra di opportunità in cui la vita poteva formarsi e prosperare potrebbe essere stata molto più ampia di quanto in precedenza avevano preso in considerazione i ricercatori: i mondi viventi con oceani incredibilmente antichi che si sono formati in poche centinaia di milioni di anni dall’alba del tempo stesso possono essere sparsi in tutto il cosmo.
La ricetta cosmica della vita
Ad oggi, la prima acqua conosciuta nell’universo è stata rilevata dal grande millimetro/submillimetro di Atacama (ALMA) in Cile, che ha spiato segni spettrali di H Familiare H2O In una galassia situata a circa 12,88 miliardi di anni luce dalla Terra, e quindi da un momento in cui l’universo aveva poco meno di un miliardo di anni.
Ma sappiamo che, all’inizio, l’universo era un deserto cosmico, senza una goccia da bere. Ciò è cambiato circa 100 milioni di anni dopo che il Big Bang mentre le prime stelle dell’universo si sono sfogliate. Dense ciuffi di idrogeno primordiale ed elio lasciati dal Big Bang sono crollati sotto il loro peso gravitazionale, accendendo le reazioni a catena termonucleare nei loro nuclei che avrebbero illuminato l’universo per la prima volta. All’interno di queste gigantesche forni nucleari luminosi, le prime quantità significative di elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio sono state forgiate.
Vivendo in fretta e morendo giovani, le prime stelle hanno seminato l’ambiente circostante con elementi come ossigeno, carbonio e silicio attraverso le loro morti esplosivamente violente come supernovae. Generazioni successive di stelle e pianeti si sono formate da queste fertili ceneri stellari e l’ossigeno di supernova potrebbe presumibilmente combinare con abbondante idrogeno primordiale per fare acqua.
“Per 100 milioni di anni, l’universo non aveva i mattoni della vita, come l’ossigeno o il carbonio. Una volta che la fusione nucleare è iniziata in interni stellari, l’universo è diventato molto più interessante “, afferma Avi Loeb, astrofisica dell’Università di Harvard.
Quindi, per alcuni aspetti, l’arrivo anticipato degli ingredienti principali della vita – acqua e elementi più pesanti in grado di formare molecole complesse – non è così sorprendente. Ma i dettagli su come queste materie prime avrebbero potuto effettivamente riunirsi per preparare il terreno per la vita sono rimasti oscuri.
Rompere i colli di bottiglia
Nonostante tale abbondanza precoce, fare acqua di ritorno allora non era necessariamente facile. Il problema è che anche se le prime stelle hanno fatto un sacco di ossigeno, sarebbe stato disperso su grandi aree quando si è lanciata nello spazio tramite supernovae.
Di conseguenza, rispetto ad altri elementi, le concentrazioni di ossigeno sarebbero state ancora basse, potenzialmente imbottigliate la pronta formazione dell’acqua. E qualsiasi molecole d’acqua che si formasse sarebbe stata ancora facilmente fatta saltare su atomi dall’intensa radiazione ultravioletta (UV) emessa dalle stelle nell’universo precoce, che era più piccolo e più affollato di oggi.
Ma nel 2015 Loeb, insieme a Shmuel Bialy, ora presso il Technion-Israel Institute of Technology, e Amiel Sternberg dell’Università di Tel Aviv, ha previsto che, nonostante questi ostacoli, le condizioni plausibilmente temperato avrebbero potuto far saltare la formazione dell’acqua avviata. Tutto ciò che era necessario era per temperature tra 250 e 350 Kelvins (–23 e 77 gradi Celsius) per prevalere all’interno di alcune delle nuvole di gas che pervadevano l’universo iniziale.
“Ad alte temperature del gas, una serie di reazioni chimiche molto efficienti che portano alla formazione dell’acqua iniziano”, afferma Bialy. “Questo aumenta l’H2O Tasso di formazione così tanto che può contrastare la bassa abbondanza di ossigeno e la radiazione UV distruttiva. “
Le nuove simulazioni di Whalen e dei suoi colleghi danno ulteriore peso a queste previsioni precedenti.
Per il suo Astronomia della natura studio, Il team ha costruito modelli numerici per le esplosioni di Supernova di due stelle di prima generazione: uno era 13 volte più pesante del sole, e l’altro era 200 volte più pesante della nostra stella. La stella simulata più piccola è sopravvissuta per circa 12 milioni di anni prima di morire come una supernova, espellendo 17.000 masse terrestri di ossigeno nel mezzo interstellare circostante. La stella più grande è sopravvissuta solo per due milioni di anni e mezzo prima di sperimentare la propria scomparsa esplosiva, generando 55 masse solari (oltre 18 milioni di masse terrestri) di ossigeno.
Quello che è successo dopo è stato sorprendente: mentre l’onda d’urto di ogni supernova virtuale emanava verso l’esterno, le increspature hanno creato variazioni di densità nel gas circostante, causando il condensano parte del gas in ciuffi. Da lì, questi ciuffi densi sono stati cosparsi di ossigeno e altri elementi di prossima generazione da parte dell’espansione della Supernova Front di Ejecta. Coerentemente con la previsione di Loeb, Sternberg e Bialy, il gas più denso ha permesso ai ciuffi di avere più calore termico che consentiva reazioni chimiche più veloci che generano acqua.
“Mentre la produzione totale di acqua in una determinata esplosione di supernova è modesta, la frazione di massa dell’acqua in ciuffi densi creati dall’esplosione può avvicinarsi a coloro che esistono oggi nel sistema solare”, afferma Whalen. “Questo è stato il risultato che non ci aspettavamo, ed è importante perché quei ciuffi densi sono le uniche strutture che possono crollare per formare stelle e dischi protoplanetari nei detriti dell’esplosione.”
Whalen avverte che al momento le simulazioni del suo gruppo offrono solo risposte provvisorie. “Non abbiamo tutta la fisica”, dice. “Non siamo sicuri di quali fossero le masse delle prime stelle, ma si ritiene generalmente che fossero dozzine a centinaia di masse solari.” Le simulazioni hanno anche modellato la formazione di una stella alla volta, quando il consenso sostiene che l’universo precoce era piuttosto claustrofobico, con più stelle che si formano nelle immediate vicinanze. Non è chiaro esattamente come ciò potrebbe influenzare la produzione di acqua.
Basta aggiungere acqua
Ma supponiamo, per ora, che queste speculazioni teoriche e modelli computazionali riflettano la realtà. Se l’acqua fosse così abbondante nelle regioni del primo universo in cui le stelle di seconda generazione potevano successivamente formare, i pianeti simili alla Terra potrebbero emergere da questa nebbia cosmica?
Questa è essenzialmente la domanda che Whalen e i suoi coautori hanno chiesto nello studio a cui si sono sottoposti Scienza. Una seconda serie di simulazioni ha testato se i ciuffi di gas arricchiti dall’acqua dal primo potessero crollare in una stella a bassa massa con un disco protoplanetario che potrebbe generare mondi rocciosi e bagnati. E la risposta, in breve, è che possono.
In queste simulazioni di follow-up, una piccola stella, di circa tre quarti la massa del sole, è nata dal gas denso con planetesimale-precursori su scala di chilometri nei pianeti terrestri-fino al rimorchio. Nonostante la sua potenziale formazione così presto nella storia cosmica, una stella di queste dimensioni potrebbe non aver ancora bruciato la maggior parte del suo carburante termonucleare, il che significa che, anche adesso, così tanti miliardi di anni dopo, sarebbe comunque brillante. Ciò significa che i possibili pianeti primordiali di oceano di una stella potrebbero ancora essere là fuori, aspettando che noi per trovarli e studiarli.
Ciò non vuol dire che la vita avrebbe necessariamente un inizio facile da tali mondi. Si ritiene che le collisioni cataclismiche con protoplaneti, asteroidi e comete siano comuni durante la formazione di un pianeta e per le successive decine a centinaia di milioni di anni. La vita, se mai emerse su uno di questi mondi, avrebbe comunque dovuto sopportare quel bombardamento o aspettare la sua fine.
Estrapolando dalla storia della Terra, in cui la vita potrebbe aver iniziato a pochi centinaia di milioni di anni nell’esistenza del nostro pianeta, emerge una cronologia cosmica approssimativa: 100 milioni di anni per le prime stelle che nascono, 10 milioni per quelle stelle per vivere, morire e diffondere elementi più pesanti, altri 100 milioni per la seconda generazione di stelle di massa basse per formarsi e altri 100 milioni di 100 milioni per raggiungere le condizioni di superficie stabili per la vita. Questa linea temporale implica che la vita avrebbe potuto iniziare a malapena 300 milioni di anni dopo il Big Bang, forse anche prima della formazione delle prime galassie riconoscibili.
Un enigma Whalen si chiede ancora è la provenienza dell’acqua negli oceani terrestri. “Qualcuno mi ha chiesto se è possibile che un po ‘di quest’acqua primordiale sia qui oggi e dobbiamo dire: non possiamo escluderlo”, dice. “Parte dell’acqua sulla Terra è più vecchia del sistema solare stesso, ma non sappiamo esattamente quanti anni abbia l’acqua; È possibile che parte di essi sia primordiale. “
Questo è qualcosa su cui riflettere la prossima volta che sollevi un bicchiere: alcune di quelle molecole che girano la sete nella tua tazza potrebbero aver formato più di 13 miliardi di anni fa nell’awave shock in espansione di una delle prime stelle dell’universo.
