Planetologia e Astrobiologia

L’astrobiologia si occupa dello studio dell’origine, evoluzione e distribuzione della vita nell’Universo. E’ una scienza multidisciplinare che trae beneficio dalle conoscenze e competenze che provengono da discipline fino ad oggi considerate appartenenti ad aree distinte come la biologia, la chimica, l’astrofisica, la geologia e la genetica.

La presenza della vita sulla Terra è direttamente correlata sia all’origine ed evoluzione del Sistema Solare che alle condizioni iniziali presenti nella nube molecolare dalla quale abbiamo avuto origine. La vita, così com’è conosciuta sulla Terra, è originata da complesse reazioni chimiche, probabile risultato anche dell’interazione di molecole organiche e materiale inerte proveniente dallo spazio.

Pertanto, in quest’ambito, ci occupiamo dello studio in laboratorio dei meccanismi chimico-fisici di sintesi e di evoluzione della materia organica tramite le interazioni con le superfici di minerali, i fotoni e le particelle energetiche. Inoltre, studiamo in laboratorio la natura del materiale extraterrestre come le meteoriti, le particelle di polvere interplanetaria o i campioni riportati a terra dalle missioni spaziali.

In questi ultimi anni, la planetologia è riuscita a dare una descrizione sempre più accurata del Sistema Solare sia per mezzo delle osservazioni condotte da Terra con i telescopi ma anche grazie all’esplorazione spaziale di pianeti, asteroidi e comete. Studiamo, quindi, la natura delle comete e degli asteroidi sia attraverso l’analisi spettroscopica e di immagini ottenute da telescopi terrestri sia dall’analisi di dati provenienti da missioni spaziali.

ATTIVITA’ DI RICERCA

Astrobiologia

L’attività di ricerca è centrata sullo studio delle proprietà chimico-fisiche delle polveri presenti nello spazio e delle interazioni tra le superfici di solidi e le biomolecole in condizioni che simulano quelle spaziali. Le molecole organiche poste su solidi di piccole dimensioni non sono inerti. Varie cause come le superfici o i vari ambienti in cui possono trovarsi promuovono le reazioni chimico-fisiche dando vita a nuovi materiali. I nostri obiettivi scientifici sono, quindi, la simulazione in laboratorio dei processi chimici e fisici attivi nel Sistema Solare e nel mezzo interstellare che guidano la formazione ed evoluzione dei composti organici. In laboratorio vengono, pertanto, sintetizzate molecole prebiotiche allo scopo di comprendere i meccanismi di base che hanno permesso la nascita della vita sulla Terra e, probabilmente, nello spazio. Analoghi di polvere cosmica come i silicati amorfi e cristallini e i materiali carboniosi, sono sintetizzati in laboratorio con varie tecniche come: ablazione laser, fasci di elettroni e scarica d’arco ottenendo diverse morfologie, ovvero grani porosi, compatti o film sottili amorfi o cristallini.  Si studiano, quindi, gli effetti catalitici delle superfici nella sintesi di biomolecole in fase solida, liquida e gassosa per mezzo di varie tecniche come: radiazione di sincrotrone, spettroscopia Raman, UV-Vis-IR sia macro che micro, microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia di massa e cromatografia liquida.

Questo tipo di ricerca è, inoltre, un fondamentale supporto per lo sviluppo di strumenti scientifici a bordo di missioni spaziali come ExoMars. Infatti, la conoscenza di come le biomolecole sono adsorbite e desorbite dalle superfici minerali o qual è la natura delle interazioni tra essi, permette di sviluppare tecniche e protocolli che gli strumenti bioanalitici sviluppati per lo spazio dovranno usare per poter rivelare potenziali segni di vita su Marte (Life Marker Chip, MOMA).

Un altro importante aspetto è la presenza di acqua nello spazio. Nel Sistema Solare l’acqua allo stato solido si trova su pianeti e corpi minori, come le comete, gli oggetti trans-nettuniani, centauri e asteroidi. Nonostante l'acqua sia il costituente principale dei ghiacci presenti nel mezzo interstellare, la sua origine chimica non è ben compresa. Per questo motivo studiamo la formazione di acqua sulle superfici di grani di polvere, per mezzo di reazioni con l'idrogeno e l'ossigeno atomico in fase gassosa. Quest’attività è condotta in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Syracuse, New York US.

Un’ulteriore attività  riguarda lo studio della composizione chimica e mineralogica della meteoriti, delle polveri interplanetarie (IDPs) e dei grani della cometa Wild 2 riportati a Terra dalla sonda Stardust della NASA. In quest’ottica stiamo lavorando all’ambizioso obiettivo di riportare a terra e analizzare frammenti di asteroidi primitivi ricchi di carbonio attraverso le missioni dell’ESA MarcoPolo-R e della NASA OSIRIS-REx e di raccogliere campioni dalle lune di Marte Phobos e Deimos per mezzo della missione dell’ESA PHOOTPRINT.

Comete

L'attività principale è lo studio delle comete e la loro importanza astrobiologica per il possibile rilascio sulla Terra primordiale dei mattoni (building blocks) dai quali si è poi formata la vita. In particolare si cercano grani di materia organica che possono essere presenti nella coma di comete, specialmente in quelle nuove al loro primo passaggio nel sistema solare interno. La ricerca consiste nella selezione di comete interessanti, nella loro osservazione, analisi e interpretazione dei dati.

Le osservazioni consistono di solito in immagini e spettri della coma nel visibile e nel vicino IR. Per alcune comete molto interessanti, come per esempio la C/1995 O1 (Hale-Bopp), le osservazioni hanno coperto un ampio spettro: dal dominio radio, col radiotelescopio Medicina , ai raggi X, con Beppo-Sax. Spesso si effettuano anche osservazioni polarimetriche per confermare la presenza di grani organici.

Recentemente, con la disponibilità di telescopi robotici come il 1,23 m di Calar Alto (E) e il Liverpool Telescope di La Palma (E), abbiamo iniziato un programma di monitoraggio di nuove comete provenienti dalla nube di Oort. Le osservazioni dovrebbero iniziare al più presto possibile, quando le comete è ancora molto lontana dal Sole (distanza eliocentrica maggiore di 5-6 AU). Ed è necessario seguire le comete periodicamente, durante il loro avvicinamento al sole. Poichè si suppone che tali comete abbiano un strato di ricco di materiale organico sulla superficie, prodotto da miliardi di anni di "space weathering", lo studio dell'evoluzione della coma con l'aumento della radiazione solare, ci può permettere di verificare la presenza di questo strato ed altre possibili stratificazione del nucleo. In questo contesto risultati positivi e interessanti sono stati ottenuti con le comete C/2011 F1 (LINEAR) e la C/2012 S1 (ISON).

Una gran parte dell'attività è attualmente dedicata alla missione Rosetta, una missione "cornestone" dell'ESA alla cometa 67P (Churyumov-Gerasimenko). La navicella spaziale raggiungerà la cometa nel maggio 2014 e, pochi mesi dopo, rilascerà, per la prima volta in assoluto, un lander sul suo nucleo. La sonda continuerà poi ad osservare la cometa prima e dopo la perielio. La missione dovrebbe dare un salto notevole sulle nostre conoscenze delle comete e sulla loro importanza per la formazione di la vita sulla Terra. Il nostro gruppo è parte del team VIRTIS, uno spettrografo a bordo di Rosetta che copre una gamma spettrale che va dall'UV ai 5 micron, capace di prendere cubi spettrale della superficie del nucleo e della coma. 

Asteroidi

Lo studio dei corpi minori del nostro Sistema Solare, e in particolare degli asteroidi, ha conosciuto un intenso sviluppo nel corso dell'ultimo decennio. Gli asteroidi sono un oggetto di studio interdisciplinare che non solo riguarda l'Astronomia, l'Astrofisica

e la Meccanica Celeste, ma anche la Geologia, la Mineralogia e la Fisica dei Materiali. Recenti studi hanno messo in luce l'estrema complessita' dei meccanismi fisici che sono alla base della formazione ed evoluzione di questi oggetti, portando a grandi cambi di paradigma nell'interpretazione dei dati osservativi.

Presso l'Osservatorio di Arcetri vengono condotte ricerche di carattere teorico riguardanti l'evoluzione collisionale degli asteroidi. Le perturbazioni gravitazionali dei pianeti del Sistema Solare producono continue modificazioni, su scale di tempo astronomiche, delle orbite degli asteroidi che a loro volta determinano la possibilita' di incroci orbitali e collisioni tra questi corpi. Nella Fascia Principale (la zona del Sistema Solare tra le orbite di Marte e di Giove occupata dalla stragrande maggioranza degli asteroidi) sono in corso da miliardi di anni collisioni tra gli asteroidi a velocita' dell'ordine di 5 km/s o piu'. Queste collisioni hanno come risultato la frammentazione di questi corpi e la comparsa di famiglie di corpi costituiti dai frammenti, che osserviamo oggi come gruppi dinamici di asteroidi con orbite molto simili tra di loro (Famiglie di Asteroidi). Gli obiettivi dell'attivita' di ricerca
e' capire come evolvono le caratteristiche globali della popolazione, e in particolare la
distribuzione delle dimensioni e dei periodi di rotazione. Per far questo e' necessario comprendere a fondo la statistica delle collisioni e la fisica della frammentazione.

Ultimamente e' stato messo in evidenza come l'evoluzione degli asteroidi non e' dominata solo dalle mutue collisioni, ma anche da effetti dinamici non gravitazionali, come l'effetto Yarkovsky e l'effetto YORP. Questi meccanismi di riscaldamento delle superfici ad opera della radiazione solare e la successiva riemissione di radiazione termica, combinandosi con la rotazione intrinseca degli asteroidi, sono in grado di modificare apprezzabilmente le orbite e la rotazione degli stessi oggetti. Questi effetti, assieme alle perturbazioni dei pianeti, giocano un ruolo cruciale per quanto riguarda il trasferimento di asteroidi dalla Fascia Principale alla zona dei pianeti interni, ovvero per quanto riguarda la formazione degli asteroidi con orbite simili a quella della Terra (Near Earth Asteroids). Tutte queste problematiche vengono ricondotte in un unico quadro interpretativo che lega la fisica degli impatti e frammentazione (studiata sia in laboratorio che con modelli teorici) con la dinamica del Sistema Solare e la fisica dell'interazione radiazione/materia.

Infine l'Osservatorio e' coinvolto nella preparazione della missione spaziale Gaia. Sebbene Gaia sia stata principalmente concepita per lo studio della struttura della nostra Galassia, tuttavia osservera' circa mezzo milione di asteroidi. Grazie alla sua enorme precisione astrometrica, Gaia ci fornira' misure delle orbite degli asteroidi talmente accurate da permettere di apprezzare l'effetto delle loro mutue perturbazioni gravitazionali, dalle quali indirettamente sara' possibile dedurre la massa di un centinaio di asteroidi con errori inferiori al 30%, e per i piu' grandi inferiori al 10%. Inoltre, sulla base delle misure fotometriche sara' possibile determinare il periodo di rotazione e la direzione dell'asse (nonche' informazioni sulla forma) per qualche decina di migliaia di asteroidi. Gaia contribuira' allo studio dei corpi minori anche indirettamente dopo la fine della missione. Grazie alla precisione nella determinazione orbitale sara' possibile incrementare di gran lunga il numero di osservazioni da terra di occultazioni stellari da parte di asteroidi, da cui ottenere misure dirette delle dimensioni degli oggetti. Inoltre, grazie all'accuratezza nella determinazione delle posizioni e moti propri delle stelle vicine al Sole, sara' possibile compiere studi dettagliati sull'interazione tra l'ambiente interstellare e la nube di Oort, con impatti immediati sullo studio delle comete.

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