Rosetta trova per la prima volta ossigeno molecolare primordiale su una cometa

La sonda europea Rosetta sta accompagnando la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko in giro per il sistema solare ormai da più di quattordici mesi. In tutto questo tempo, ha avuto modo di rilevare e studiare le emissioni di un'ampia varietà di gas: perlopiù vapore acqueo e monossido e diossido di carbonio, ma anche composti di azoto, zolfo, carbonio e perfino gas nobili. Eppure, uno dei più abbondanti elementi nell'Universo, almeno nella sua forma molecolare più semplice, è sempre mancato all'appello - fino ad adesso.

L'ossigeno molecolare (O2) si è rivelato particolarmente difficile da trovare soprattutto a causa della sua tendenza a reagire con l'ambiente circostante, ad esempio combinandosi con atomi di idrogeno su piccole particelle di polvere per formare molecole di acqua, oppure, spezzato in due atomi indipendenti dalla radiazione ultravioletta, ricombinandosi con un altro ossigeno molecolare a formare ozono (O3). Finora, l'ossigeno molecolare non era mai stato osservato in prossimità di una cometa.

La presenza di O2 osservata da Rosetta. Data: A. Bieler et al. (2015)

"Non ci aspettavamo di rilevare ossigeno molecolare - e in quantità così elevate - poiché tende a reagire chimicamente," spiega Kathrin Altwegg dell'Università di Berna. "È una scoperta piuttosto inaspettata anche perché non ci sono molti esempi dell'individuazione di ossigeno molecolare interstellare. Anche se dev'essere stato incorporato nella cometa durante la sua formazione, non è così facile da spiegare usando gli attuali modelli sulla formazione del sistema solare."

La scoperta è arrivata dall'analisi di oltre 3000 campioni raccolti dalla sonda tra Settembre 2014 e Marzo 2015. L'abbondanza dell'ossigeno molecolare rispetto all'acqua varia dall'uno al 10%, con un valore medio di 3.80 ± 0.85%, ovvero un intero ordine di grandezza oltre quanto previsto dai modelli di nubi molecolari.

La quantità di O2 e quella di H2O mostrano una chiara relazione lineare. Data: A. Bieler et al. (2015)

Analizzando la variabilità dell'ossigeno molecolare, gli scienziati hanno individuato una possibile relazione con l'acqua, suggerendo che le due molecole siano in qualche modo legate da un simile meccanismo di origine e/o di rilascio dal nucleo. Il rapporto O2/H2O, infatti, si è mantenuto quasi perfettamente costante nel corso del tempo, anche col variare della distanza dal Sole della cometa e della distanza dal nucleo di Rosetta, e della posizione della sonda al di sopra del nucleo. L'unica occasione in cui questo rapporto diminuisce è quando vi è un brusco aumento di vapore acqueo, ma ciò potrebbe essere spiegato dall'interferenza con il ciclo di sublimazione e di condensazione che è all'opera sul nucleo ogni giorno (clicca qui per i dettagli e qui per un'animazione del ciclo). Al contrario, l'ossigeno sembra completamente indipendente da altre molecole, come il monossido di carbonio e l'azoto molecolare, nonostante siano altrettanto volatili. Nessuna molecola di ozono è stata rilevata.

Attualmente, gli scienziati stanno indagando sulle possibili origini di questo ossigeno molecolare, che per il momento rimangono un mistero. Quando la cometa si trovava nella Fascia di Kuiper, la radiolisi - la scissione di legami chimici ad opera di radiazioni ionizzanti - potrebbe aver creato ossigeno molecolare fino a un paio di metri di profondità. Tuttavia, con la migrazione della cometa su una nuova orbita nel sistema solare interno, il materiale dovuto alla radiolisi dovrebbe essere già del tutto scomparso. La radiolisi e la fotolisi - la scissione di legami chimici dovuta ai fotoni - potrebbero aver prodotto ulteriore materiale da quando la cometa si trovava sulla sua nuova orbita, ma si tratterebbe al massimo di qualche micrometro di profondità, secondo i calcoli degli scienziati.

Il rapporto O2/H2O, come evidenziato in questo grafico, si è dimostrato piuttosto costante nell'arco di tutta la missione. Data: A. Bieler et al. (2015)

"Anche la formazione istantanea di ossigeno molecolare sembra improbabile, dato che porterebbe a rapporti di O2 variabili a seconda delle diverse condizioni di illuminazione," prosegue la ricercatrice. "Al contrario, sembra che l'ossigeno molecolare primordiale sia in qualche modo stato incorporato nei ghiacci della cometa durante la sua formazione."

L'ossigeno molecolare era facilmente accessibile per una cometa nella giovane nebulosa protosolare. Tuttavia, la formazione di molecole di acqua con ossigeno molecolare intrappolato in particelle di polvere può avvenire solo con un rapido raffreddamento da -173 a -243 gradi centigradi. Inoltre, per spiegare i dati raccolti da Rosetta, le particelle di polvere dovrebbero essere state assorbite dalla cometa senza essere alterate chimicamente.

"Altre possibilità includono che il sistema solare si sia formato in una parte insolitamente calda di una densa nube molecolare, a temperature di 10-20 gradi oltre i -263 gradi centigradi che ci aspetteremmo di trovare all'interno di queste nubi," spiega Ewine van Dishoeck del Leiden Observatory in Olanda. "Ciò è comunque in linea con i modelli della formazione delle comete nella nebulosa solare esterna, e anche con dati precedenti raccolti da Rosetta sulla scarsa abbondanza di azoto molecolare."

Un altro scenario in grado di spiegare i dati di Rosetta è che la radiolisi delle particelle di polvere ghiacciate sia avvenuta prima della formazione della cometa. In questo caso, l'ossigeno molecolare sarebbe rimasto intrappolato all'interno del nucleo mentre l'idrogeno veniva rilasciato all'esterno, compromettendo la ricombinazione dell'ossigeno molecolare in acqua.

"Questo è un risultato interessante sia all'interno che all'esterno della comunità cometaria," spiega Matt Taylor dell'ESA, "con possibili implicazioni per i nostri modelli dell'evoluzione del sistema solare."

Photo Copyright Spacecraft: ESA/ATG medialab; comet: ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0; Data: A. Bieler et al. (2015)