EUROPA

1. EUROPA

2. Introduzione I satelliti medicei La scoperta di Europa … Curiosità … Parametri Dati orbitali Dati fisici Vita su Europa? Atmosfera Maree Campo magnetico Crateri da impatto Struttura superficiale Struttura interna Vita nell’oceano di Europa? Composizione chimica E’ possibile la vita? Lago Vostok Esplorazioni Conclusioni Bibliografia Indice: Nell’immagine: Giove con i due satelliti Io (a sinistra) ed Europa (a destra)

3. I satelliti medicei: 1. Introduzione • Rotazione sincrona • Tidally locked • Ghiaccio nella composizione chimica in quantità via via superiore • Formazione contemporanea a quella del Sistema Solare per la condensazione di materiale in orbita intorno a Giove

4. Tra i satelliti di Giove, Europa sembra il più adatto ad ospitare la vita; essa, infatti, potrebbe essere presente nell'oceano situato al di sotto della sua crosta. In figura a destra un'immagine “vera” di Europa, a sinistra una in falsi colori

5. La scoperta di Europa: • Il primo ad osservare Europa e gli altri satelliti medicei è stato Galileo Galilei il 7 Gennaio 1610. • Indipendentemente, nel 1614, anche il tedesco Simon Marius individuò il satellite gioviano.

6. I quattro satelliti di Giove Io Europa Ganimede Callisto

7. ...Curiosità... Il satellite “Europa” prende il suo nome da Europa, figlia di Agenore, Re della città fenicia di Tiro, ora in Libano, e sorella di Cadmo, fondatore di Tebe. Il nome "Europa" fu suggerito da Marius poco dopo la sua scoperta, ma tale denonominazione perse d'importanza per un lungo periodo (come la persero i nomi degli altri satelliti medicei), e non fu ripristinato nell'uso comune fino alla metà del XX Secolo.

8. Parametro Orbitale: Valore: Semiasse Maggiore [Km]: 671100 Perijovio [Km]: 664792 Apojovio [Km]: 677408 Periodo Orbitale [d]: 3.551 Velocità orbitale (min) [m/s]: 13613 Velocità orbitale (max) [m/s]: 13871 Velocità orbitale (media) [m/s]: 13741 Inclinazione (eclittica): 1.79° Inclinazione (equatore Giove): 0.47° Eccentricità: 0.0094 2. ParametriDati orbitali

9. Parametro fisico: Valore: Raggio [Km]: 1561 Massa [Kg]: 48 x 1021 Densità media [g/cm3]: 3.01 Gravità superficiale [m/s2]: 1.31 Velocità di fuga [Km/s]: 2.025 Pressione atmosferica Pa 1 Albedo: 0.68 Temperatura superficiale (min) [K]: 50 Temperatura superficiale (max) [K]: 130 Temperatura superficiale (media) [K]: 103 Dati fisici:

10. 3. Vita su Europa? Su Europa sono state osservate numerose peculiarità che potrebbero far pensare ad un possibile sviluppo di forme di vita. Secondo alcune teorie, sotto la sua superficie ghiacciata potrebbe trovarsi un oceano allo stato liquido, probabilmente composto da acqua, che potrebbe essere la culla di esseri viventi primordiali. Vediamo quali caratteristiche di Europa lasciano dedurre la presenza di un enorme oceano o di un ambiente adatto ad ospitare forme di vita.

11. Atmosfera: Osservazioni condotte a partire dal 1994 tramite lo spettrografo di bordo del telescopio spaziale Hubble hanno rivelato la presenza di una tenue atmosfera composta di ossigeno. A differenza dell'ossigeno presente nell'atmosfera terrestre, quello di Europa non ha origine biologica. Si crede che si sia formato dall'interazione della luce solare e di particelle cariche con la superficie ghiacciata del satellite con la conseguente produzione di vapore acqueo, che poi si dissocia in ossigeno e idrogeno (quest'ultimo riesce a sfuggire all'attrazione gravitazionale del satellite) disperdendosi nello spazio.

12. Le maree: Le rivoluzioni dei vari satelliti attorno a Giove causano perturbazioni all’interno degli stessi, generando onde di marea nei materiali che li compongono e sviluppando calore. Inoltre i tre satelliti medicei più interni sono in risonanzamultipla tra loro: i periodi orbitali di Io, Europa e Ganimede sono in rapporto di 1:2:4 e la relazione che lega i tre corpi è: dove ω rappresenta la velocità angolare. Tale risonanza, oltre a causare l’eccentricità forzata dei tre satelliti, contribuisce ad aumentare il riscaldamento di Europa; tale aumento di temperatura potrebbe essere sufficiente a far fondere il ghiaccio sotto qualche decina di Km di profondità.

13. La temperatura: La temperatura superficiale di Europa è più alta di quella prevista teoricamente e questo perché il suo interno riceve energia sia dal decadimento degli isotopi radioattivi di lunga vita sia dal riscaldamento mareale, conseguenza dei periodici cambiamenti di forma ad ogni rivoluzione che generano attriti interni. Inoltre, grazie al fotopolarimetro-radiometro della sonda Galileo si è scoperto che anche di notte è almeno 5° superiore alla temperatura che ci si aspetterebbe in assenza di un'intensa sorgente endotermica.

14. Il campo magnetico: Dal magnetometro della Galileo si è rilevato che Europa presenta delle anomalie spiegabili con un significativo campo magnetico. Poiché tale campo potrebbe richiedere un asse magnetico fortemente inclinato, l’ipotesi più accreditata è quella che spiega le fluttuazioni con la presenza di uno strato di liquidoelettro-conduttore sotto la superficie ghiacciata, il quale reagirebbe al campo di Giove con un vero e proprio campo magnetico indotto. Ciò sarebbe possibile, se il materiale conduttore fosse simile all’acqua salata dei mari terrestri. (dagli spettri della superficie è emerso che i sali potrebbero contenere carbonati e solfati)

15. La superficie di Europa ha solo poco più di una dozzina di crateri da impatto con un diametro superiore ai 10 Km; tra questi il più grande è Pwill con un diametro di 26 Km (nell'immagine presa dal testo di Gilmour e Sephton citato in bibliografia). Il fatto che la superficie del satellite sia praticamente liscia è spiegabile con un suo costante rimodellamento ad opera di un oceano di acqua liquida.Inoltre il basso numero di crateri implica una superficie relativamente giovane: calcoli basati sul flusso di comete e di asteroidi su Giove portano a credere che la superficie di Europa debba avere circa 50 Myr.

16. I crateri da impatto: • Quattro diversi crateri da impatto: • (partendo da in alto a sinistra) • Pwyll • Cilix • Tyre • Mannann'an

17. Strutture superficiali: La superficie di Europa è coperta da una serie di striature scure, “ridge” e “bands”, che la attraversano totalmente, incrociandosi tra di loro. Su ogni lato della crosta, i bordi appaiono mossi rispetto agli altri. La larghezza delle bande può raggiungere 20 km con bordi leggermente scuri, striature regolari, e una banda centrale di materiale più chiaro che potrebbe essere stato prodotto da una serie di eruzioni vulcaniche di acqua o geyser.

18. Sulla superficie sono anche presenti strutture come: “domes”: blocchi di ghiaccio alti 100 m e con un diametro di 10 Km che si sono formati a causa di anomalie termiche in ambiente salato; “ball of string”: bande arancioni che si crede siano il risultato di eruzioni criovulcaniche. “lenticulae”: macchie scure che si sono formate in seguito alla risalita di ghiaccio più caldo nella crosta, fatta di ghiaccio freddo, attraverso fenomeni vulcanici o idrotermali. Sono simili alle camere magmatiche terrestri. Particolare della superficie di Europa

19. Le bande arancioni nell'immagine sono un esempio di “ball of string” In questa immagine, invece, si ha un esempio di “lenticulae”

21. L'immagine mostra una delle regioni del chaos, la Conamara Chaos che si estende per 143,7 Km (il nome deriva dalla regione gaelica della Connemara). Conamara Chaos è costituita da placche di ghiaccio di origine recente disposte attorno a blocchi più antichi, orientati in maniera disordinata. La struttura geologica della regione è regolata da un processo ciclico di fusione seguito o dal ricongelamento del ghiaccio, o dal rimescolamento del ghiaccio meno freddo proveniente dall'interno del satellite con la superficie gelida.

22. 4. La struttura interna • Nucleo metallico (prevalentemente ferro, anche se si ipotizza la presenza di silicati) • Mantello di silicati e metalli l'insieme di nucleo e mantello si estende fino a 1420 Km dal centro) • Strato spesso di acqua salata (circa 100 Km) con una densità di 1 g/cm3

23. Sulla superficie più esterna sono presenti uno strato di ghiaccio elastico e viscoso, in grado di stirarsi sotto l’azione della marea, e uno di ghiaccio più freddo che viene continuamente fratturato per formare grandi poligoni galleggianti sugli strati sottostanti. Supponendo che al di sotto della crosta ci sia acqua liquida e che i poligoni stiano galleggiando in equilibrio, si è stimato uno spessore degli stessi e quindi dello strato, di 0.5 - 2.2 km (spessore che dipendente dalla differenza in densità tra i poligoni e la matrice e quindi dai sali contenuti) Topografia crosta di ghiaccio: la riproduzione tridimensionale della parte luminosa mostra ghiaccio allo stato puro

24. A lato si possono osservare due diversi modelli rappresentanti gli interni di Europa: Nel primo si può notare uno strato convettivo di ghiaccio relativamente caldo ed una fragile superficie fredda solidificata soprastante. Nel secondo si distingue bene l’oceano allo stato liquido ricoperto da una crosta di ghiaccio.

25. 5. Vita nell'oceano di Europa? • La fotosintesi è quasi impossibile, tuttavia è probabile che gli effetti della radiazione sul ghiaccio e sull’acqua liquida offrano l'instabilità chimica necessaria per alimentare una biosfera e quindi per una eventuale vita nell'oceano di Europa (vedi schema successivo). • Risorse di energia libera potrebbero essere limitate per un oceano coperto da uno spesso strato di ghiaccio. E' però possibile che l'attività idrotermale e/o organica e ossidante favoriscano reazioni chimiche sulla superficie di Europa che mescolandosi nell’oceano stesso potrebbero fornire energia all’ecosistema.

26. Immagine presa dall’articolo di Chyba e Hand, citato in bibliografia

27. Le particelle, urtando la superficie ghiacciata, potrebbero innescare le reazioni chimiche necessarie per trasformare le molecole d’acqua e di anidride carbonica in nuovi composti organici. Le radiazioni, invece, potrebbero produrre ossidanti liberi (ossigeno e perossido di idrogeno), utilizzabili per ossidare la formaldeide e altre sostanze organiche; tuttavia queste potrebbero essere di rilevanza biologica solo se raggiungessero l’oceano sottostante.

28. L’energia, necessaria per l'origine della vita, potrebbe essere ottenuta non dal Sole, ma attraverso la chemiosintesi, oppure potrebbe essere di tipo geotermico come nelle sorgenti idrotermali (forse all’interno dell’oceano si forma uno strato caldo).

29. Composizione chimica: Secondo alcune teorie l’oceano di Europa potrebbe essere dominato da MgSO4. Ciò sembra essere supportato dal fatto che gli anioni e i cationi dominanti nel periodo della formazione erano Mg e SO4. Tuttavia secondo altre ipotesi il catione potrebbe essere Na oppure H (cosa che creerebbe un oceano di acido solforico H2SO4). La composizione chimica di Europa sembra inoltre essere pesantemente condizionata dalla luna vicina, Io, e dalla sua forte attività vulcanica. Europa si trova così immersa in un costante bagno di particelle che la arricchiscono di Na, S, Cl ed altri ioni, alterandone la composizione chimica superficiale.

30. L’abbondanza di sali nell’oceano può anche essere negativa per lo sviluppo di forme viventi. I magnetometri della Galileo sembrano indicare che l’oceano di Europa sia quasi saturo di NaCl o MgSO4. Sulla Terra ci sono prove dell’esistenza di microorganismi capaci di sopravvivere anche in ambienti con elevate concentrazioni saline. Invece, in caso di elevata concentrazione di H, i processi di rimodellamento superficiale potrebbero favorire l’espulsione di questo elemento nello spazio, aumentando il pH dell’oceano dominato da solfati o carbonati di sodio e calcio (Mono Lake in California).

31. 6. E’ possibile la vita? L’ipotesi più accreditata è che la vita potrebbe esistere in questo oceano al di sotto del ghiaccio, in un ambiente simile a quello delle sorgenti idrotermali presenti sulla Terra nelle profondità degli oceani e sul fondo del Lago Vostok, in Antartide. Nell'immagine si vede dove è localizzato il Lago Vostok

32. Lago Vostok Lago sotterraneo a 3,74 Km di profondità sotto i ghiacci antartici, esteso 14000 km2, nei pressi dell’omonima stazione Russa Condizioni simili a quelle presenti su Europa sono state riscontrate nel lago Vostok. L’acqua del lago rimane liquida grazie al calore geotermico e all’elevata pressione prodotta dal ghiaccio sovrastante, dove sono state scoperte diverse forme di vita.

33. Alghe unicellulari del tipo Crucigenia tetrapoda a 1525 m di profondità (ghiaccio di 110.000 anni) Gusci di diatomee a 2375 m di profondità (180.000 anni) Numerosi altri batteri che l’analisi del rRna ha permesso di catalogare tra gli archebatteri Spore batteriche a 2395 m di profondità (200.000 anni) Se è vero che la vita sulla Terra poté originarsi nelle sorgenti idrotermali, allo stesso modo questa vita avrebbe potuto iniziare da simili sorgenti vicino alle rocce dei corpi ghiacciati.

34. Per provare l'eventuale esistenza di forme di vita nelle acque del Lago Vostok senza il rischio di contaminazioni esterne, il Jet Propulsion Laboratory ha studiato un progetto che prevede l'uso di una prima sonda (chiamata "cryobot") che avrebbe il compito di penetrare nella calotta ghiacciata in corrispondenza del lago sciogliendone il ghiaccio soprastante. Nel 2011 è iniziata la prima esplorazione, che però è stata sospesa per l’avvicinarsi dell’autunno.

35. IlLago Vostokè un ambiente estremamente povero disostanze nutritive, le cui acque sono supersature di ossigeno, con livelli 50 volte superiori a quelli che solitamente vi sono nei normali laghi d'acqua dolce superficiali. Questa elevata concentrazione di ossigeno potrebbe essere dovuta alla calotta ghiacciata presente al di sopra del lago che, sciogliendosi, libererebbe nel lago ossigeno ed altri gas. Qualunqueorganismo eventualmente presente nel lago, dovrebbe essere in grado di sopravvivere a questa condizione di "avvelenamento da ossigeno". Alcuni pensano che questi organismi potrebbero aver sviluppato particolari adattamenti, come, ad esempio, un'elevata concentrazione di enzimi protettivi, in modo da sopravvivere in queste condizioni estreme.

36. 7. Esplorazioni Gran parte della nostra conoscenza di Europa proviene dai dati e dalle immagini inviate a Terra dalle missioni Voyager e Galileo; col passare del tempo sono state avanzate nuove proposte per missioni future sul satellite. Gli scopi di queste missioni variano dall'esaminare la composizione chimica di Europa, alla ricerca di vita extraterrestre nell'oceano sotto la sua superficie. Ogni missione diretta verso Europa deve però essere protetta dagli altissimi livelli di radiazioni emessi da Giove e quindi richiede altissimi costi: risale al 2005 la cancellazione dell'ambizioso progetto NASAJupiter Icy Moon Orbiter (JIMO).

37. 8. Conclusioni • Un'eventuale scoperta di forme di vita nel lago Vostok potrebbe rafforzare l'ipotesi dell'esistenza di vita extraterreste non solo su Europa, ma anche su Ganimede e Callisto. • Europa, Ganimede e Callisto sembrano essere abitabili, nel senso che probabilmente hanno acqua liquida, elementi biogenici e fonti di energia libera capaci di sostenere la vita.

38. LA SERPENTINIZZAZIONE La scoperta di Lost City Nel dicembre del 2000 è stata scoperta casualmente un’area di sorgenti idrotermali a 800 metri di profondità nell’Atlantico settentrionale, a 15 chilometri a ovest della dorsale medio-atlantica. Il complesso di fumarole, situate sulla montagna sottomarina chiamata Massiccio di Atlantide, è stato denominato Lost City. I camini bianchi si formano quando l’acqua esce dalle bocche idrotermali e si mescola all’acqua di mare formando carbonato di calcio che ricade sulle fumarole. Il massiccio è composto principalmente di peridotite, la cui reazione con l’acqua è nota come serpentinizzazione.

39. . . . all’origine della vita? Tale condizione è simile a quella degli esperimenti di Miller e Urey. Miliardi di anni fa la vita potrebbe essere sorta proprio in fumarole del genere. In quelle epoche il mantello era molto più esposto per il forte vulcanismo e le regioni come quella di Lost City molto più comuni. Nei fluidi del sito si sono rilevati composti organici come metano, etano e propano (Proscurowski 2008) e molecole organiche come formiato e acetato confermando che le condizioni a Lost City sono tali da sostenere le reazioni di generazione di composti organici da quelli inorganici. La reazione . . . La peridotite, principale roccia costituente il mantello, reagisce con l’acqua marina che si infiltra nei camini, diventando serpentino e rendendo l’acqua infiltrata altamente ridotta, cioè ricca di idrogeno, metano e solfuri. Un m3 di roccia combinandosi con 300 litri di acqua libera 180 kwh.

40. I microbi di Lost City Molti microbi riescono a sfruttare l’energia dell’idrogeno, sopperendo così all’assenza del Sole. A Lost City i metanogeni hanno bisogno solo di anidride carbonica, acqua liquida e peridotite. Studiando le sequenze di RNA si è costruito un albero genealogico comprendente tutti i viventi (vedi GENEV.ppt). Vicino alla radice ci sono molti organismi che consumano idrogeno e vivono vicino a sorgenti calde, portando all’idea che l’ultimo antenato comune dei tre regni abbia vissuto in ambienti del genere. Novità per l’Astrobiologia Le scoperte di Lost City hanno aumentato il numero dei corpi del sistema solare idonei alla formazione della vita. Pianeti o satelliti contenenti peridotite (molto comune) e acqua liquida possono aver avviato la serpentinizzazione portando a microrganismi. Su Marte ed Europa le componenti sembrano esserci, ma il metano osservato sul Pianeta Rosso non basta a confermare la presenza di batteri metanogeni. Solo l’osservazione di un forte impoverimento di Carbonio-13 darebbe un’indicazione abbastanza certa di vita marziana.

41. 9. Bibliografia Materiale Multimediale: C. Bartolini, M. Benelli, L. Solmi: DVD “Fisica dei pianeti” (2010) Web: • http://it.wikipedia.org • http://www.nasa.gov • http://www.ifa.hawaii.edu • http://www.pd.astro.it • http://www.bo.astro.it • http://scienzaenatura.it • www.astrobio.net

42. Libri di testo: • I. Gilmour, M.A. Sephton: “An Introduction to Astrobiology”, Cambridge University Press, Cambridge 2004 • W.T. Sullivan, J.A. Baross: “Planets and Life”, Cambridge University Press (2007). Articoli: • C.F. Chyba, K.P. Hand: “Life without Photosyntesis”, Scienze, 292, 2026-2027 (2001).

43. A cura di: Lisa Benamati Federica Camona Mario Cornacchia Giacomo Gostinicchi