Astrobiologia - corso completo

La vita nell'universo

Ci sono moltissime domande fondamentali al concetto di astrobiologia e gli enti spaziali cercano le risposte. Astrobiologia è un termine coniato dalla NASA. In Europa come organizzazione c'è l'ESA in Olanda. L'astrobiologia è definita come la combinazione degli studi astronomici e biologici, quindi tutto ciò che riguarda lo studio della vita nell'universo.

Esistenza della vita extraterrestre

Una delle prime domande è: esiste la vita da qualche altra parte dell'universo? Ci sono due possibili risposte: no oppure ovviamente. È importante studiarlo in quanto il nostro pianeta è fragile e ci sono già state 4 catastrofi che hanno fatto ricominciare da capo la vita. Noi dobbiamo avere un avamposto in modo da mandare avanti la vita del genere umano. Oppure, semplicemente, per eventi geologici come un aumento dell'attività vulcanica potrebbe cambiare completamente le condizioni di vita.

Concetti antropocentrici e comunicazione interstellare

Bisogna uscire dal concetto antropocentrico, potremmo trovare forme di vita molto semplici non ancora evolute oppure troppo evolute e incomprensibili. Le molecole organiche non sono solo del nostro pianeta ma si trovano anche nello spazio. Forme di comunicazione sono anche molto importanti in quanto cambiano molto nel tempo e noi potremmo non essere ancora in grado di ascoltare.

Immaginario comune sulla vita extraterrestre

Nell'immaginario comune la vita oltre la Terra ha comunque le caratteristiche base del corpo umano: simmetria bilaterale, cervello nella scatola cranica. I mezzi di spostamento immaginati sono delle navicelle in grado di viaggiare oltre la velocità della luce. Gli alieni potrebbero essere o buoni o cattivi oppure umani cattivi e gli alieni buoni. Avvistamento di alieni, rapimento da parte degli alieni e zone dove è chiaro che sta succedendo qualcosa più aumenta l'immaginazione (area 51).

Ricerca della vita extraterrestre

Cosa stiamo cercando? Umanoidi, piante, animali oppure microrganismi. Cerchiamo vita extraterrestre, cioè qualsiasi segno di vita per quanto semplice oppure complesso o intelligente cioè capace di prendere delle decisioni ragionando e mettere a punto delle strategie. Già i filosofi greci discutevano sulla possibilità della vita sulla Terra, si hanno dei problemi tecnologici per la ricerca della vita extraterrestre. Ad esempio, Venere era immaginato come un paradiso tropicale, i marziani costruivano canali su Marte (in realtà erano delle striature che si potevano vedere con i microscopi dell'800).

Nuove tecnologie e sistemi solari

Adesso abbiamo nuove tecnologie per osservare e non abbiamo nessuna evidenza che ci siano civiltà nel nostro sistema solare data la quantità di sonde inviate. Ma potremmo anche immaginare che ogni sistema solare abbia la sua forma di vita. Per cercare la vita dobbiamo cominciare a cercare le basi della vita come i microrganismi, quindi si vanno a ricercare delle condizioni che possono permettere la vita. Si vanno a cercare i pianeti e non solo le stelle. Abbiamo bisogno di nuovi strumenti di ricerca perché quelli che abbiamo non sono sufficienti.

Importanza di astronomia, planetologia e biologia

Sono quindi importanti:

• Astronomia: ci permette di studiare oggetti lontani, studiando questi oggetti vediamo che le stesse leggi fisiche del nostro pianeta sono quelle che regolano tutto l'universo. Se qualcosa ha generato la vita sul nostro pianeta potrebbe avere anche generato la vita da un'altra parte. Ci dice che l'universo è pieno di pianeti che possono ospitare la vita.
• Planetologia: ormai si studiano le stelle per vedere se hanno dei pianeti che ci girano intorno con variazioni di luminosità e movimenti della stella stessa. La planetologia ci dice se un pianeta è roccioso o se sono gassosi. In venti generazioni nello spazio profondo non sarebbero più utilizzabili le gambe, quindi il disuso di un organo per lungo tempo porta alla perdita della funzione e l'assunzione di diverse funzioni. Abbiamo informazioni sulla formazione dei pianeti, che le stelle portano i pianeti e l'abitabilità dei pianeti ci porta a tutti i possibili pianeti che possono supportare la vita.
• Biologia: è molto difficile che i processi biologici siano drasticamente diversi in quanto se sono comuni la ricerca sarà fruttuosa, se invece non lo sono comuni noi siamo una rarità del cosmo. Con degli esperimenti in laboratorio possiamo creare le condizioni di base per la vita oppure possiamo andare a vedere come il DNA interagisce con altre molecole e come può variare e combinarsi. Quindi la biologia può essere una condizione comune nell'universo.

Possibili luoghi per la vita nel sistema solare

Dove dobbiamo cercare la vita? Pianeti del sistema solare, satelliti come ad esempio le lune di Giove (63) ma risentono molto della gravità di Giove tanto da deformarli ma potrebbero arrivare a spaccarli. Satelliti di Urano, Nettuno e quello che ha i satelliti più strani tanto che alcuni sono solo degli asteroidi. La Luna stabilizza la Terra e permette la vita, la Luna nasce come un pezzo di Terra. All'università di Auckland è stato previsto che i pianeti simili alla Terra sono nell'ordine dei 100 miliardi. Noi per ora siamo arrivati solo alla fine del sistema solare e la stella più vicina comporterebbe un viaggio di moltissime generazioni.

Se qualcuno ci sta cercando dobbiamo essere in grado di ascoltare e noi abbiamo queste strutture e le utilizziamo anche per inviare messaggi. È probabile che ci sia vita nel sistema solare ma è improbabile che sia vita intelligente.

Geocentrismo e eliocentrismo

Dobbiamo sempre considerare quali erano le condizioni osservative iniziali quando si approcciò lo studio dell'astronomia, in quanto se non sappiamo quale sia il nostro punto di vista tutto il paradigma cambia. Una delle prime osservazioni dei primi astronomi era quella del moto retrogrado di alcuni pianeti cioè andavano un po' avanti e un po' indietro, ma questo andava a inficiare la perfezione dei movimenti.

Se noi siamo al centro dell'universo e tutto ci gira intorno si è inventata la teoria che i pianeti seguano delle orbite circolari e che su queste orbite si muovessero su dei cerchi più piccoli.

Tolomeo alla fine dimostra che ci sono dei pianeti che si muovono su deferenti e su epicicli. Queste teorie sono andate avanti per moltissimi secoli in quanto si partiva dall'idea che tutto fosse perfetto quindi i pianeti e stelle erano sfere e si muovevano in cerchi perfetti. Questo è un esempio di come quando si ha un'idea precisa si cerca in tutti i modi di far venire ciò che ci si aspetta anche forzando la scoperta. Questo modello che non funziona che non aveva una valida alternativa è rimasto valido per 1500 anni.

Aristarco di Samo conosceva la dimensione relativa e la distanza sia del Sole che della Luna, a partire dall'idea che la Luna ruota intorno alla Terra perché la Terra non può girare intorno al Sole che è molto più grande, prima teoria eliocentrica. In questo modo si poteva spiegare il movimento retrogrado che era dato dalle due orbite della Terra e dell'altro pianeta. L'osservazione si basava sul sistema di riferimento delle stelle che erano ferme.

Anche se si era passato all'idea che il Sole fosse al centro si pensava ancora che le orbite fossero dei cerchi. La controprova è la parallasse cioè il fenomeno per cui un oggetto sembra spostarsi rispetto allo sfondo se si cambia il punto di osservazione che nel caso delle stelle “di sfondo” non si aveva.

Copernico dà inizio alla rivoluzione copernicana che cambiava il punto di osservazione, dimostra matematicamente che il Sole è al centro. È stato ispirato da altri ma era andato oltre. Copernico trova dei modelli geometrici semplici che collegano le distanze e i periodi orbitali. Ma gli astronomi dicono che è uguale al modello tolemaico se si parla di orbite circolare.

Tycho Brahe studia con strumenti molto più sensibili, apprezzava la semplicità del modello eliocentrico di Copernico ma non poteva utilizzare i suoi dati per fornire la prova definitiva.

Keplero ricomincia e abbandona l'idea dei cerchi in quanto non venivano mai i calcoli. Se si lavora con le ellissi e non con i cerchi tutto tornava.

• Prima legge di Keplero: l'orbita di ogni pianeta attorno al Sole è un'ellisse con il Sole che occupa uno dei due fuochi. Definisce delle posizioni planetarie speciali attorno al Sole: afelio e perielio (punto più vicino e punto più lontano del Sole). La metà della distanza tra perielio e afelio è chiamata il semiasse maggiore, chiamata unità astronomica AU, si può anche definire come la distanza media dal Sole.
• Seconda legge di Keplero: un pianeta si muove più velocemente nella parte della sua orbita più vicino al Sole e più lentamente quando è più lontano dal Sole, percorrendo quindi spazi uguali in tempi uguali. Questo porta poi all'idea che la gravità va a influenzare la velocità di rotazione e servirà poi a dimostrare il concetto di quantità di moto.
• Terza legge di Keplero: i pianeti più lontani orbitano attorno al Sole con velocità media lenta, rispettando la relazione matematica a³ = p² (a=semiasse maggiore, p=periodo di rotazione).

C'erano molte obiezioni al modello eliocentrico e l'unico che gli dà risposta è Galileo Galilei.

• Obiezione 1: se la Terra è in movimento come mai se qualcosa cade non viene lasciato indietro dal movimento della Terra. Risposta: gli oggetti restano in movimento a meno che una forza non ne cambi il moto. Quindi una forza è qualcosa che cambia il moto di un oggetto. Un oggetto in caduta libera è solo influenzato dalla gravità e dalla resistenza dell'aria.
• Obiezione 2: i movimenti devono essere circolari in quanto devono essere perfetti. Risposta: già Brahe aveva studiato il movimento di una cometa e Galileo va a studiare le macchie solari che sono imperfezioni e questo porta all'idea che se il Sole non è perfetto perché tutto il resto dovrebbe esserlo.
• Obiezione 3: assenza di parallasse stellare. Risposta: Galileo non poteva confutare questa obiezione direttamente, la parallasse stellare non venne osservata fino al 1838. Le distanze estreme delle stelle portano a una perdita della parallasse e studiando le fasi di Venere dimostrò che il Sole è il centro in quanto se no vedremmo sempre la stessa faccia di Venere.

Calcoli di distanza e periodo di rotazione

Possiamo calcolare distanza e periodo di rotazione. Cerere ruota intorno al Sole con una distanza media di 2,77 AU, quale è il suo periodo orbitale? Se applico la formula p²=a³. Risolvendo l'equazione ottengo 4.6 anni. Posso anche calcolare la distanza media conoscendo il periodo di rotazione (3 mesi), si calcola che è 0,4 AU.

Leggi di Newton

Newton è stata una delle menti più brillanti. Nel 1687 pubblica nel quale va a descrivere le leggi che governano i moti dei corpi celesti.

• Prima legge: un oggetto che si muove a una velocità costante a meno che non ci sia una forza che cambia la sua velocità o direzione. Quindi nel tragitto tra la massa della Terra e della Luna non c'erano forze che andavano ad attrarre la navicella quindi hanno potuto spegnere i motori e il moto è continuato. Esiste anche un effetto fionda che può portare ad un'accelerazione data dalla gravità.
• Seconda legge: forza uguale massa per accelerazione.
• Terza legge: ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. È il principio per cui ci muoviamo, la navicella spinge l'aria verso il suolo e per questo si alza in volo.

Legge di gravitazione universale

La teoria di Newton fu la prima teoria della gravità. La forza di gravità è direttamente proporzionale al prodotto di due masse ed è inversamente proporzionale al quadrato della distanza di due oggetti. Tutto questo è moltiplicato per la costante di gravitazione universale G=6.67×10^-11 m³/(kg × s²).

Grazie a questo si capisce come interagiscono le masse di stelle e pianeti, ma non sapeva ancora perché non ci fossero solo effetti fionda, ma orbite circolari. Nella gravità e nei corpi celesti non si riesce a vedere la forza, la teoria di Newton aveva cambiato le idee. Le leggi di gravitazione universale non spiegava però il movimento di Mercurio (pianeta più vicino al Sole).

Einstein prese la teoria di Newton ed ebbe l'intuizione di aggiungere una quarta dimensione rispetto alle tre dello spazio, il tempo. Quando noi abbiamo uno spazio-tempo possiamo descriverlo come un tessuto sul quale ogni massa ha un effetto di deformazione dello spazio-tempo. Le masse piegano lo spazio tempo e fanno inclinare il tessuto creando quindi delle traiettorie circolari. Quindi la gravità è data dalla piegatura dello spazio-tempo. Questa modifica della teoria andava anche a spiegare il movimento di Mercurio. Le onde nel tessuto temporale si spostano alla velocità della luce. Se il Sole sparisse noi avremmo 8 minuti prima che una onda gravitazionale ci colpisse e ci spingesse lontani dalla nostra posizione.

Metodo scientifico

Tutto questo si riduce al metodo scientifico che è un algoritmo, una serie di step che ci portano alla formulazione di una teoria. Raramente il metodo scientifico è un percorso semplice e lineare. La scienza non ricerca risposte: cerca di produrre modelli migliori per porre domande migliori e fornire modelli migliori.

Il primo passo è fare un'osservazione, farsi una domanda, bisogna chiedersi cosa dell'osservazione è importante, fai un'ipotesi e poi comincia a fare dei test, fai delle osservazioni supplementari, se non funziona andiamo a fare altre ipotesi se invece funziona continuo a sperimentare e ad aggiungere osservazioni e ipotesi. La scienza deve dare risposte semplici anche a problemi enormi. La scienza ha bisogno di creare modelli sperimentali di cose che capitano nella natura, deve spiegare nel modo più semplice il modo nel quale avvengono, deve anche basarsi su cause naturali, sui fenomeni che governano il mondo. Un modello scientifico deve fare previsioni verificabili su delle ipotesi che ci porterebbe ad abbandonare il modello nel caso in cui non verrebbero i risultati attesi.

Quindi i punti cardine della scienza sono:

• Dare spiegazioni basate su cause naturali
• Creazione e sperimentazione di modelli che spiegano le osservazioni nel modo più semplice
• Fornire previsioni verificabili, se non lo sono deve essere cambiato il modello

Rasoio di Occam: l'inutilità di fare ipotesi complesse si esplica con la quantità di smentite che si susseguono nel corso degli anni, quindi il principio è che a parità di fattori la spiegazione più semplice è quella giusta. L'esempio è la spiegazione della generazione dell'universo. Si può ipotizzare un universo eterno o generato da sé o per motivi che dobbiamo ancora capire. Un'altra ipotesi è che l'universo sia stato generato da una divinità che è a sua volta eterno o generato da sé o per motivi sconosciuti. Utilizzando il rasoio di Occam ci porterebbe ad accettare la prima ma da un punto di vista morale e psicologico è più comodo e rassicurante. Storicamente è stato osservato che le spiegazioni più semplici sono quelle che di solito superano i test.

La pseudoscienza si occupa dei temi della scienza senza utilizzare il metodo scientifico: posso utilizzare dei trucchi per ingannare oppure possono postulare delle ipotesi abbastanza semplici da ingannare le persone che non usano il metodo scientifico criticamente.

Elementi di astronomia

L'astronomia è una scienza incredibilmente antica in quanto da sempre si è osservata l'alternanza di luce e buio. I greci cominciano a studiare l'architettura del moto dell'universo, ma solo 2000 anni dopo, con Newton, sono state definite delle leggi che davano una spiegazione.

Nella ricerca della vita nell'universo dobbiamo considerare che:

• L'universo è molto vasto e vecchio: miliardi di anni per quanto possiamo capire. Pensiamo che sia infinito, che sia unico ma ci sono teorie che parlano di multiversi che hanno leggi fisiche che li governano uguali o diverse a quelle che conosciamo. Le dimensioni sono enormi: 46 miliardi di anni luce di dimensione ed è vecchio di circa 13,8 miliardi di anni (età della stella più vecchia che abbiamo osservato). Potrebbero esserci stelle più vecchie da cui semplicemente non c'è ancora arrivata la luce, dato che la velocità della luce in termini galattici è veramente lenta. Nella fantascienza si prende lo spazio e avvicina i punti in modo da accorciare le distanze. I buchi neri potrebbero essere veramente degli stargate che ci permetterebbero di superare grandi distanze in brevi tempi in quanto lì cominciano a cambiare le leggi fisiche.
• Gli elementi della vita sono diffusi in tutto l'universo: le molecole organiche si trovano ovunque.
• Le leggi fisiche sono rispettate in tutto l’universo.

Dove ci troviamo?

• Nell'universo osservabile (93 miliardi di AL in diametro)
• Nel supercluster Laniakea: che contiene 100 mila galassie e che è largo circa 520 milioni AL
• Nella superammasso della Vergine: 110 galassie con diametro di 110 milioni di AL
• Nel gruppo locale: 54 galassie con 10 milioni di AL in diametro
• Nella Via Lattea: 400 miliardi di stelle con diametro di 100 mila AL
• In uno dei bracci di Orione
• Nel Sistema Solare: il Sole intrappola due giganti gassosi, due giganti di ghiaccio e quattro mondi rocciosi e 3 campi di detriti e una stella di classe nana gialla, di massa media con una vita di circa 10 miliardi di anni (ne ha già bruciati qua)