Pericoli dal cielo

1. Pericoli dal cielo Asteroidi Comete Supernovae Gamma-ray Burst C. Bartolini, P. Bontempi, S. Dichiara, A. Nastasi, D. Pesolillo, C. Zangelmi, P. Zucca

2. ESTINZIONI DI MASSA:POSSIBILI CAUSE EXTRATERRESTRI Negli ultimi 500 Ma la Terra ha visto 5 grandi estinzioni di massa. A ciascuna di esse si fa corrispondere l’inizio di un nuovo periodo geologico: I. Ordoviciano – Siluriano (443.7 Ma fa) II. Devoniano – Missisipiano (359.2 Ma fa) III. Permiano – Triassico (251 Ma fa) IV. Triassico – Jurassico (199.6 Ma fa) V. Cretaceo – Terziario (65.95 Ma fa) I II III IV V Estinzioni minori: Cambriano – Ordoviciano (488 Ma fa) Pliocene-Pleistocene (1.8 Ma fa) (Wilson, "The Diversity of Life.“, 1992)

3. Cause “extraterrestri”: • Asteroidi • Comete • Supernovae (SN) • Gamma Ray Burst (GRB) Possibili collegamenti • Cause “terrestri”: • Intenso vulcanesimo • Glaciazioni

4. I) PERICOLO ASTEROIDI CLASSIFICAZIONE DEI NEA I pianetini orbitano quasi tutti fra Marte e Giove. Solo l’1%, chiamati Near Earth Asteroids (NEA) passano nei dintorni della Terra e non è escluso che qualcuno possa cadervi sopra. • AMOR sempre esterni alla Terra • APOLLO per lo più esterni • ATEN per lo più interni • APOHELE sempre interni

5. 2002 AA29, un esempio di ATEN, chiamato anche Seconda Luna

6. NASCITA DELLA LUNA 4520 Ma fa Theia colpì la Terra. 2002 AA29 potrebbe essere un frammento dell’impatto Immagini tratte dal libro di McBride Gilmour: The Solar System, Cambridge Un. Press (2004)

7. Origine dei Near-Earth Asteroids Gli asteroidi con periodo = 1/3, 2/5, 3/7 del periodo di Giove vengonorimossi per effetto di risonanza e avvicinati al Sole (lacune di Kirkwood) eccentricità semiasse maggiore (UA)

8. NEA conosciuti • Totale asteroidi conosciuti al • 31/12/08 • ~ 400.000 • NEO: • Totale > 5.000 • > 1 km ~900 • ~90% known Start of NASA NEO Program

9. POTENTIALLY HAZARDOUS ASTEROIDS • I NEA che possono avvicinarsi alla Terra meno di 7.5 milioni di km sono chiamati Potentially Hazardous Asteroids (PHA) • Fino a giugno 2010 sono stati individuati 1139 PHA • Molti PHA non rappresentano attualmente un pericolo per la Terra, ma devono essere tenuti sotto controllo, perché le loro orbite potrebbero essere alterate dal loro passaggio radente vicino ad altri oggetti simili o i pianeti stessi.

10. ASTEROIDI PASSATI RECENTEMENTE VICINI A NOI DATA DISTANZA DAL CENTRO DIAMETRO DELLA TERRA (km) (m) 7/10/2008 6370 5 31/3/2004 13000 6 2/3/2009 72450 20 14/6/2002 120300 50 3/7/2006 433500 340 18/8/2002 529500 430 30/6/1908 6370 80

11. 2008 TC3 07 Oct 2008 02:46 UTC, 12.8 km/s 1-2 Kton D ~ 5 m - M ~ 70 ton

12. L’EVENTO TUNGUSKA • La mattina del 30 giugno 1908 un evento catastrofico ebbe luogo nelle vicinanze del fiume Tunguska, abbattendo 80 milioni di alberi su 2150 chilometri quadrati. • Il rumore dell'esplosione fu udito a 1000 km di distanza. A 500 km testimoni affermarono di avere udito un sordo scoppio e avere visto sollevarsi una nube di fumo all'orizzonte. Rappresentazione pittorica dell’evento e fotografia degli alberi schiacciati dall’esplosione

13. Sopra: mappa della zona colpita dall’esplosione in cui sono evidenziati l’epicentro e la direzione di caduta degli alberi A sinistra: albero bruciato e decorticato vicino all’epicentro, chiamato “palo del telegrafo”

14. IPOTESI DI LAVORO • La causa dell'esplosione, avvenuta ad una altezza di 8 chilometri, fu un corpo celeste, con un diametro fra 50 e 100 metri che si muoveva ad una velocità di almeno 15 chilometri al secondo. • La conseguente vaporizzazione dell'oggetto ad opera dell’atmosfera ha causato un'immane onda d'urto che ha colpito il suolo provocando gli effetti osservati Rappresentazione pittorica dell’evento di Tunguska

15. IL LAGO CHEKO • Ricerche compiute nell’ultimo decennio dal dipartimento di fisica dell'Università di Bolognaconfortano l’ipotesi che il lago Cheko, situato a circa 8 km a nord-ovest dall'epicentro dell'esplosione, possa essere un cratere d’impatto causato da uno dei frammenti del bolide. • La forma del fondo del lago è ad imbuto. • Testimonianze dirette e mappe della zona mostrano che il lago non esisteva prima del 1908. Veduta aerea del lago Cheko

16. Il caso Apophis Scoperto nel 2004, (99942) Apophis misura circa 340 metri di diametro. A fine dicembre 2004 fu stimato che un impatto con la Terra si sarebbe potuto verificare il 13 aprile 2029 con un probabilità di circail 3%. L’impatto avrebbe devastato una regione grande come la Francia, liberando un’energia superiore a 400 Mton (~25.000 volte l’energia della bomba atomica di Hiroshima). Le osservazioni radar hanno escluso questa possibilità. L’asteroide passerà quel giorno alle 23 e 43 (ora Europa centrale) a 34.770 km dal centro del nostro pianeta. Questo avvicinamento condizionerà i passaggi futuri in particolare quello del 13/4/2036. Si sta valutando l’ipotesi di collocare nel 2012 un “transponder” attorno all’asteroide, in modo da permettere un monitoraggio continuo ed accurato dell’oggetto.

17. Poiché il pericolo che Apophis colpisca la Terra il 13 aprile 2036 non è del tutto trascurabile, si sta studiando un progetto innovativo di un «trattore gravitazionale» per deviare il corpo ed evitare il possibile impatto con il nostro pianeta; esso impartisce un’accelerazione continua all’asteroide nella direzione voluta

18. SCALA TORINO Grafico della scala Torino (Per la spiegazione vedere tabella)

19. Il cratere di Chicxulub 180 km

20. Lo strato di Gubbio

21. Estinzione Cretaceo – Terzario (65.5 Ma fa) La sedimentazione della crosta terrestre mostra una discontinuità in corrispondenza del passaggio dal Cretaceo al Terzario: transizione K-T. • Presenza di Iridio, elemento quasi assente sulla crosta; • Grani di quarzo compresso (“shocked”) meccanicamente; • Abbondanza di ferro, nichel e silicio, possibilmente creati durante l’impatto. ) Inoltre, sono state identificate in India enormi quantità di effusioni laviche risalenti allo stesso periodo (Trappi del Deccan), testimoni di un’intensa attività vulcanica. IPOTESI: violenti impatti meteorici possono provocare onde d’urto tali da innescare una violenta attività vulcanica agli antipodi del pianeta. (Geological Society of America, 2000) L’india non era agli antipodi di Chicxulub, ma è possibile che si sia verificato un altro impatto nel Pacifico le cui tracce sono state ormai cancellate per subduzione.

22. Frequenza degli impatti Diametro impattore 10 m 100 m 1 km 10 km 1 10 Catastrofe globale 100 Tunguska Frequenza evento (anni) 1000 10000 100000 1 milione 10 milioni Evento K-T 100 milioni

23. II) Pericolo Comete Cometa Neat (C/2001 Q4). Cometa McNaught, del 2007. Cometa Hyakutake, del 1996.

24. La Shoemaker-Levi 9, caduta su Giove, ha dimostrato che le comete: • possono essere catturate da pianeti • si possono spezzare in molti frammenti • possono cadere sui pianeti stessi o sui loro satelliti

25. La caduta della Shoemaker-Levy 9 ha fatto riflettere sulla possibilità che analogamente le numerose "catenelle" di crateri presenti sui satelliti di Giove e sulla Luna siano il risultato dell’impatto di una cometa precedentemente frammentata.

26. L’Estinzione Permiano – Triassico (251 Myr fa) Fu la più violenta e devastante. Scomparve il 96% delle specie marine, e il 70% di quelle terrestri. La causa di questa estinzione è stata probabilmente la collisione con una cometa o un asteroide. Sono stati proposti due siti per l’impatto: Wilkes Land Crater, Antartide Le anomalie gravitazionali mostrano un’area depressa, due volte più grande del cratere di Chicxulub Cratere Bedout, Australia Nord-Ovest. L’area dell’impatto è messa in rilievo dalle anomalie gravitazionali

27. DIFFERENZE FRA ASTEROIDI E COMETE: • - Le comete sono costituite da materiali volatili => chioma e coda • hanno periodo più lungo e maggiore eccentricità • - sono più pericolose, perché arrivano con un preavviso di pochi mesi LE COMETE CHE PASSANO VICINE ALLA TERRA, FANNO PARTE, ASSIEME AI NEA, DEI NEAR EARTH OBJECTS (NEO)

28. III) PERICOLO SUPERNOVAE

29. I II 1941 Si H rich no Si H poor Ia 1964 no He He CCSN IIL IIP TNSN 1973 ? Ic Ib IIb 1983 1987/93 Hypernovae=GRB 1997/98 No H / H

30. FINE DELLE STELLE • consumano poco • vivono a lungo • terminano come nane bianche Quelle più piccole • consumano molto • vivono poco • terminano con una grande fumata … Quelle più grandi le supernovae=> stelle di neutroni, pulsar =>buchi neri Cortesia di F. Fusi Pecci

31. Supernovae È stato calcolato (Steve Thorsett, “Terrestial Implications of Cosmological Gamma-Ray Burst Models”, ApJ 1995) che lo strato di ozono del nostro pianeta subirebbe una drammatica diminuzione, se la Terra venisse investita da un flusso di radiazione γ pari a Fγ > 107 erg/ s cm2. Essendo: F = L/4πd2 Distanza critica:dcrit = (L/4πFγ)1/2. Dai valori di luminosità dati in precedenza si può stimare quindi a quale distanza dovrebbero esplodere le SNe per avere effetti devastanti sulla vita terrestre: dcrit (SN Ia) = < 40 pc dcrit (SN II) = < 3 pc

32. Estinzione Pliocene – Pleistocene (1.8 Ma fa) • Una Supernova (Apellaniz, Benitez, 2002) spiegherebbe: • Alto contenuto di 60Fe scoperto nel 1999 sul fondale oceanico; • “Bolla locale” di plasma con diametro 490 a.l. L’esplosione potrebbe essere avvenuta quando la SN, 1.8 Ma fa, era a soli 130 a.l. (40 pc) da noi. • FREQUENZA: • Per SNe a d < 8pc si è stimata 1.5 Ga-1, ovvero ~ 1/670 Ma (Gehrels et al., 2003); • Possibile aumento della frequenza con l’attraversamento dei bracci spirale, ogni 140 Ma. (Shaviv, 2003); • La frequenza era più alta nel passato, perché maggiore era la produzione di stelle. (Wikipedia)

33. EFFETTI dei fotoni X/γ emessi dalle Supernovae Una dettagliata simulazione degli effetti che la radiazione γ di una SN avrebbe sull’atmosfera terrestre sono stati presentati da Gehrels et al., nel 2003. Essi hanno trovato che: • I fotoni γ tendono a dissociare l’azoto molecolare N2 nella troposfera; • La presenza di N libero favorirebbe la formazione di ossidi d’azoto (NOn): • N + O2 → NO + O • NO + HO2 → NO2 + OH • L’ozono (O3) inizierebbe a scomparire in quanto dissociato dalle reazioni: • NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2

34. IV) PERICOLO Gamma-Ray Burst (GRB) • I GRB sono impulsi di raggi gamma • con una distribuzione isotropa sulla sfera celeste • appaiono improvvisamente in qualsiasi regione del cielo • con una frequenza di un lampo al giorno provenienti dalle galassie distribuite in tutto l’universo

35. Distribuzione dei GRB in base alla durata:lunghi & brevi short long Durata maggiore di due secondi Durata minore di 2 secondi

36. Gamma Ray Burst lunghi I Gamma Ray Burst di lunga durata sono il risultato del collasso di stelle di grande massa (M > 30 MSole), in possesso di un nucleo rapidamente rotante. I GRB sono eventi simili alle Supernovae…ma moltopiù energetici. Tutti pensano che siano associati alla formazione di un Buco Nero (NASA database)

37. GRB BREVI • I meccanismi più accreditati per la formazione dei GRB brevi prevedono la fusione di due oggetti compatti: • Stelle di Neutroni-Stella di Neutroni • Stella di Neutroni – Buco Nero si ritiene che questi eventi possano avere luogo con una frequenza di circa 1 ogni 10 6 – 10 7 anni per galassia.

38. Gamma Ray Burst Per la stima degli effetti che un GRB può avere sulla Terra vengono presi in esame i GRB di lunga durata. Oggetti di questo tipo emettono radiazione lungo fasci collimati, con potenza: Energia quasi totalmente liberata nella banda 0.3 – 2 MeV (hard X - γ) LGRB ≈ 5·1050 erg/s Considerando la potenza si ricava, la distanza entro cui i GRB diventano pericolosi dcrit, GRB = < 2 Kpc Sebbene più rari delle SNe i GRB posseggono un potenziale distruttivo molto più alto, e quindi la distanza alla quale risulterebbero pericolosi è molto maggiore. La frequenza di GRB a d < 2 Kpc è stimato ~ 1 GRB/670 Ma (Mellot, 2003)  Analogo alla frequenza di SNe.

39. Gamma Ray Burst EFFETTI: Flusso di fotoni emesso da un GRB a d < 2Kpc: FGRB ≈ 10 FSole …ma radiazione nelle bande X/γ anziché nel Visibile!! Tuttavia, gli effetti nocivi NON sono diretti (solo lo 0.2% di FGRB raggiunge la superficie[Smith et al, 2003]). Effetti sulla chimica dell’atmosfera  Danni maggiori sul lungo termine. (NASA database)

40. EFFETTI DI UN GRB SULL’ATMOSFERA Reazioni di combinazione dell’N2 conO2 1. Formazione NO2 → oscuramento radiazione solare → inizio glaciazione; 2. Riduzione O3 → intensa radiazione UV solare → danni sul DNA e distruzione fitoplancton.

41. L’ARRIVO DEI RAGGI GAMMA DISTRUGGE LA PROTEZIONE DI OZONO Danni sul DNA dopo il burst Densità di colonna O3 (Thomas, Mellot, et al. 2005)

42. (Dar, Laor & Shaviv 1998) e Melott et al. (2004) suggeriscono che un GRB puntato verso la Terra abbia prodotto un flusso letale di fotoni e muoni ad alta-energia che ha distrutto lo strato di ozono, ucciso il plancton e condotto all’estinzione dei trilobiti nel periodo Ordoviciano. Effetti di Raggi Cosmici da GRBs Galattici L’evidenza geologica indica due momenti: - una estinzione rapida e - un periodo glaciale di lunga durata.

43. Estinzione Ordoviciano – Siluriano (443.7 Ma fa)(Minard 3.4. 2009) Un Gamma Ray Burst spiegherebbe: • La scomparsa improvvisa della fauna marina superficiale, per la quale la radiazione UV è meno schermata dalle acque; • L’“improvvisa” comparsa di una fase di glaciazione alla fine dell’Ordoviciano, durata circa 500.000 anni (Reid, 1978). E’ impossibile identificare il “resto” del GRB perché in 443.7 Ma il sistema solare ha compiuto un giro completo della Galassia per quasi DUE volte… Nella costellazione del Sagittario la stella WR 104 distante 8000 anni luce potrebbe diventare un GRB in futuro

44. CONCLUSIONE: E’ VERO CHE DAL CIELO POSSONO CADERE ASTEROIDI O COMETE, OPPURE ARRIVARE PERICOLOSE RADIAZIONI, MA FORSE I PERICOLI MAGGIORI LI CREA L’UOMO STESSO