Quando il nostro Sole era una stella giovane, 4,56 miliardi di anni fa, quello che oggi è il nostro sistema solare era solo un disco di polvere rocciosa e gas. Nel corso di decine di milioni di anni, minuscoli ciottoli di polvere si sono coalizzati, come una palla di neve che rotola sempre più grande, per diventare “planetesimi” delle dimensioni di un chilometro – gli elementi costitutivi della Terra e degli altri pianeti interni.
I ricercatori hanno cercato a lungo di comprendere gli antichi ambienti in cui si sono formati questi planetesimi. Ad esempio, l’acqua oggi è abbondante sulla Terra, ma lo è sempre stata? In altre parole, i planetesimi che si sono accumulati nel nostro pianeta contenevano acqua?
Ora, un nuovo studio combina i dati dei meteoriti con la modellazione termodinamica e determina che i primi planetesimi del sistema solare interno devono essersi formati in presenza di acqua, sfidando gli attuali modelli astrofisici del sistema solare primordiale.
La ricerca è stata condotta nel laboratorio di Paul Asimow (MS ’93, PhD ’97), Eleanor e John R. McMillan Professore di Geologia e Geochimica e appare sulla rivista Astronomia della natura il 9 gennaio.
I ricercatori hanno campioni dei primi anni del sistema solare sotto forma di meteoriti di ferro. Questi meteoriti sono i resti dei nuclei metallici dei primi planetesimi del nostro sistema solare che evitarono l’accrescimento in un pianeta in formazione e invece orbitarono attorno al sistema solare prima di cadere infine sul nostro pianeta. Le composizioni chimiche di meteoriti come questi possono rivelare informazioni sugli ambienti in cui si sono formati e rispondere a domande come se gli elementi costitutivi della Terra si siano formati lontano dal nostro Sole, dove temperature più fredde hanno consentito l’esistenza di ghiaccio d’acqua, o se invece si siano formati più vicino al Sole, dove il calore avrebbe fatto evaporare l’acqua e avrebbe prodotto planetesimi secchi. Se quest’ultima ipotesi fosse corretta, allora la Terra si sarebbe formata a secco e avrebbe ottenuto la sua acqua attraverso qualche altro metodo più avanti nella sua evoluzione.
Sebbene i meteoriti stessi non contengano acqua, gli scienziati possono dedurre la sua presenza perduta da tempo esaminando il suo impatto su altri elementi chimici.
L’acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. In presenza di altri elementi, l’acqua spesso trasferisce il suo atomo di ossigeno in un processo chiamato ossidazione. Ad esempio, il ferro metallico (Fe) reagisce con l’acqua (H2O) per formare ossido di ferro (FeO). Un sufficiente eccesso di acqua può far avanzare il processo, producendo Fe2O3 e FeO(OH), gli ingredienti della ruggine. Marte, ad esempio, è ricoperto di ossido di ferro arrugginito, fornendo una prova evidente che un tempo il Pianeta Rosso aveva acqua.
Damanveer Grewal, ex studioso post-dottorato del Caltech e primo autore del nuovo studio, è specializzato nell’uso delle firme chimiche dei meteoriti di ferro per raccogliere informazioni sul sistema solare primordiale. Sebbene l’ossido di ferro dei primi planetesimi sia ormai scomparso da tempo, il team ha potuto determinare la quantità di ferro che sarebbe stata ossidata esaminando il contenuto di nichel metallico, cobalto e ferro di questi meteoriti. Questi tre elementi dovrebbero essere presenti in rapporti più o meno uguali rispetto ad altri materiali primitivi, quindi se del ferro fosse “mancante”, ciò implicherebbe che il ferro era stato ossidato.
“I meteoriti di ferro sono stati in qualche modo trascurati dalla comunità che si occupa di formazione dei pianeti, ma costituiscono una ricca riserva di informazioni sul periodo più antico della storia del sistema solare, una volta che si capisce come leggere i segnali”, afferma Asimow. “La differenza tra ciò che abbiamo misurato nei meteoriti del sistema solare interno e ciò che ci aspettavamo implica un’attività dell’ossigeno circa 10.000 volte superiore.”
I ricercatori hanno scoperto che i meteoriti ferrosi che si ritiene provengano dal sistema solare interno avevano circa la stessa quantità di ferro metallico mancante dei meteoriti derivati dal sistema solare esterno. Affinché ciò sia vero, i planetesimi di entrambi i gruppi di meteoriti devono essersi formati in una parte del sistema solare dove era presente acqua, il che implica che gli elementi costitutivi dei pianeti hanno accumulato acqua fin dall’inizio.
Le tracce dell’acqua in questi planetesimi mettono in discussione molti degli attuali modelli astrofisici del sistema solare. Se i planetesimi si fossero formati nell’attuale posizione orbitale della Terra, l’acqua sarebbe esistita solo se il sistema solare interno fosse stato molto più freddo di quanto previsto dai modelli attuali. In alternativa, potrebbero essersi formati più lontano, dove faceva più fresco, e migrare verso l’interno.
“Se l’acqua era presente nei primi elementi costitutivi del nostro pianeta, probabilmente erano presenti anche altri elementi importanti come il carbonio e l’azoto”, afferma Grewal. “Gli ingredienti per la vita potrebbero essere stati presenti nei semi dei pianeti rocciosi fin dall’inizio.”
“Tuttavia, il metodo rileva solo l’acqua utilizzata nell’ossidazione del ferro”, aggiunge Asimow. “Non è sensibile all’acqua in eccesso che potrebbe andare a formare l’oceano. Quindi, le conclusioni di questo studio sono coerenti con i modelli di accrescimento della Terra che richiedono l’aggiunta tardiva di materiale ancora più ricco di acqua”.
L’articolo è intitolato “Accrezione dei primi planetesimi del sistema solare interno oltre il limite delle nevi”. Oltre ad Asimow e Grewal, i coautori sono l’ex studiosa post-dottorato del Caltech Nicole X. Nie, Bidong Zhang della UCLA e Andre Izidoro della Rice University. Grewal è attualmente professore assistente presso l’Arizona State University. Il finanziamento è stato fornito da una borsa di studio post-dottorato della Barr Foundation e dalla NASA.
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