W.H. Auden scrive che sulla terra migliaia sono sopravvissuti alla mancanza di amore ma nemmeno uno è sopravvissuto senza acqua.
L’acqua però non è solo sulla Terra. Ce lo dice l’osservazione astronomica. E se l’acqua sulla Luna o su Marte non è una sorpresa, aver scoperto la sua origine è sconvolgente! L’acqua si è formata poco dopo il Big Bang! Praticamente c’è sempre stata. E chissà, forse la mancanza d’acqua non esiste.
Una conversazione tra Tiziana Panizza e Gordon Chin
Tiziana Panizza Kassahun è una teorica del pensiero contemporaneo dei processi di urbanizzazione e costruzione di città dal volto umano e intelligenti sia ecologicamente sia socialmente.
Gordon Chin è un astrofisico planetario della NASA, una figura di riferimento nel campo dell’osservazione astronomica e nella direzione scientifica di progetti come il Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) e il satellite astronomico a onde sub-millimetriche (SWAS, Submillimeter Wave Astronomy Satellite).
T: Lei è uno scienziato planetario con una lunghissima e stimolante carriera alla NASA. Pochi possono vantare la sua expertise nell’osservazione remota in ambiente interstellare e nelle atmosfere planetarie. Il suo lavoro si è focalizzato sulla banda submillimetrica dello spettro elettromagnetico. Perché?
G: Perché è dove sono presenti le firme spettrali. La firma spettrale è una caratteristica che ha ogni materiale. Una sorta di “impronta digitale” delle molecole più importanti in natura. In particolare l’acqua.
T: Esiste l’acqua al di fuori della Terra?
G: La risposta è sì, certo. L’acqua è presente ovunque nell’universo. Svolge un ruolo fondamentale nella formazione delle stelle e dei pianeti. Si trova nelle nubi molecolari e nello strato di ghiaccio che ricopre i granelli di materia nello spazio interstellare.
T: Iniziamo dalla Luna.
G: Gli astronomi ritengono che le collisioni di comete e asteroidi, avvenute sulla Luna miliardi di anni fa, abbiano lasciato delle tracce d’acqua sul nostro satellite. Anche l’acqua presente sulla Terra potrebbe essere arrivata in modo analogo. Sulla Luna l’acqua non dura a lungo, perché evapora alla luce del sole e si disperde nello spazio. L’acqua ghiacciata resiste solo nelle zone d’ombra dei crateri lunari più freddi e più profondi, mentre nelle zone polari potrebbero esserci dei depositi di ghiaccio. Negli anni Novanta del secolo scorso, due veicoli spaziali, Lunar Prospector e Clementine, scoprirono dei residui di ghiaccio (alcuni con un volume fino a un chilometro cubo) nelle zone d’ombra dei crateri vicino ai poli lunari. La NASA decise allora di lanciare il satellite esploratore Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO in breve) dotato di una vasta strumentazione per localizzare l’acqua, perché la sua presenza sulla Luna, che è vicina alla Terra, sarebbe di grande utilità come risorsa per sostenere eventuali futuri insediamenti umani sul nostro satellite per lunghi periodi di tempo.
Gli astrofisici non demordono: sperano di trovare una gemella della Terra in un sistema solare vicino. La loro bussola è la linea dell’acqua liquida: la sottile zona abitabile in cui l’acqua non evapora e non ghiaccia. Nel nostro sistema solare la fascia tra le orbite di Venere e Marte. E se la vita liquida fosse una rarità del cosmo e la Terra davvero un’eccezione? (oppure: l’unica eccezione?)
T: Lei è stato il responsabile scientifico del progetto LRO presso il Goddard Space Flight Center della NASA. Il ghiaccio c’è davvero?
G: La strumentazione su LRO svolge numerose funzioni: mappa e fotografa la Luna in dettaglio, misura le radiazioni dell’ambiente e, non da ultimo, cerca le tracce d’acqua.
LEND, il Lunar Exploration Neutron Detector, è uno degli strumenti di LRO realizzato specificatamente per cercare il ghiaccio o l’acqua sotto la superficie lunare. Questo strumento, fornito dall’agenzia spaziale russa, usa il bombardamento continuo della Luna da parte dei raggi cosmici, che generano dei neutroni nei primi metri sotto la superficie lunare, per segnalare l’idrogeno presente nell’acqua. Si ritiene che il flusso di neutroni in orbita lunare diminuisca in presenza di acqua. Questo metodo di rilevamento del flusso di neutroni è lo stesso utilizzato da Lunar Prospector per individuare l’acqua sulla Luna. LEND è in grado di accrescere la precisione delle misurazioni dei neutroni nello spazio e di identificare con maggiore accuratezza dove si trova l’acqua sul nostro satellite. Come previsto, LEND ha rilevato la presenza di acqua ghiacciata nelle aree in ombra perenne (PSR), che non sono state illuminate dalla luce solare per miliardi di anni. LEND ha inoltre confermato che la concentrazione d’acqua è maggiore alle latitudini lunari più elevate, un fatto già segnalato da Lunar Prospector. LRO è stato trasportato dal razzo Atlas insieme al Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS), che ha diretto LRO verso la Luna, provocandone l’impatto su un PSR vicino al Polo Sud del nostro satellite e sollevando un pennacchio di suolo lunare. Il modulo strumentale che aveva guidato LCROSS verso la Luna, attraversando lo stesso pennacchio, ha rilevato la presenza di acqua nei detriti. Questa rilevazione di LCROSS è la prova più diretta dell’esistenza dell’acqua sul nostro satellite.
T: Dopo decenni di esplorazioni astronomiche, dopo la scoperta nel 2011 di un’enorme riserva d’acqua attorno al lontano quasar APM 08279+5255, dove gli astronomi hanno osservato una grandissima quantità di vapore acqueo (140 trilioni di volte l’acqua contenuta negli oceani terrestri), cosa sappiamo delle origini dell’acqua cosmica?
G: Le prime prove della presenza d’acqua sono state fornite dall’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), 66 radiotelescopi che, situati sull’altopiano del deserto di Atacama in Cile, operano come un’unica unità. Le osservazioni di ALMA hanno identificato un oggetto con una lente gravitazionale denominato SPT0311-58, situato a z=6,9, solo 780 milioni di anni dopo il Big Bang. In questa galassia molto antica, ALMA ha identificato sia l’acqua, sia il monossido di carbonio (CO). Questo sistema è una delle prime galassie massicce conosciute, all’interno delle quali si formano le stelle.
T: L’acqua è indispensabile per la vita sulla Terra ed è fondamentale per rendere un ambiente abitabile. Ad oggi, tuttavia, nonostante decenni di esplorazioni del sistema solare, si dibatte ancora sulle origini, l’abbondanza e la distribuzione dell’acqua nei corpi celesti.
G: Nella nostra galassia, la Via Lattea, ci sono molte molecole di acqua e di CO che si formano in modo analogo a quello in cui si formarono poco dopo il Big Bang. L’acqua cosmica è quindi presente in tutto l’universo e si è formata molto prima di quanto si ritenesse in passato, forse anche prima delle prime galassie.
T: L’idea che l’acqua possa aver inondato l’universo primordiale subito dopo il Big Bang è credibile? Qual è la sua opinione al riguardo?
G: Ecco, in breve, cosa ci dicono le osservazioni e la nostra conoscenza sulla produzione dell’acqua cosmica e sulla sua prima apparizione nell’universo.
Poco dopo il Big Bang, l’universo era completamente arido, nonostante fosse pieno di idrogeno e di elio, perché non c’erano gli atomi di ossigeno, che è l’ingrediente fondamentale per formare l’acqua. Infatti, per produrre l’ossigeno, che è un elemento più pesante, servono le stelle e, cosa ancora più importante, è necessario che le stelle muoiano in una supernova.
Gli atomi di ossigeno, essenziali per l’acqua (H₂O), non possono essersi formati durante il Big Bang. Gli atomi pesanti, come l’ossigeno e il carbonio, possono solo essere stati generati dall’agonia delle stelle. Infatti, si è dovuto attendere la morte delle prime stelle e la violenza di un’esplosione di supernova per ottenere gli atomi pesanti e la dispersione degli elementi appena creati nello spazio interstellare.
Si ritiene che le prime stelle fossero molto massicce e che siano durate solo pochi milioni di anni. L’ossigeno necessario per formare l’acqua sarebbe quindi diventato disponibile solo dopo l’esplosione della prima generazione di stelle in MoM-z14, la più antica galassia scoperta a z=14,44, 280 milioni di anni dopo il Big Bang.
La formazione dell’acqua richiede, tuttavia, un altro ingrediente: la polvere di stelle presente nell’area interstellare, e le supernove sono la fonte principale di polvere sia nell’universo primordiale, sia nell’universo odierno. La polvere interstellare è facilmente visibile a occhio nudo, perché si trova nelle zone oscure che interrompono il fiume stellato della Via Lattea nel cielo notturno, ed è particolarmente visibile volgendo lo sguardo verso il denso ammasso di stelle al centro della galassia. La superficie della polvere stellare è il luogo dove atomi e molecole si accumulano e si diffondono per formare le molecole più complesse mediante reazioni chimiche, che sono più efficienti sulla superficie della polvere che in ambiente gassoso. Infatti, gli atomi di idrogeno e di ossigeno formano molecole d’acqua circa 100.000 volte più velocemente sulla superficie della polvere che nello spazio. Nel tempo, i granelli di polvere interstellare vengono ricoperti da uno strato di numerose molecole, tra cui il ghiaccio formato dall’acqua. E la polvere stellare, ricoperta da tale strato, influisce sul modo in cui si formeranno le stelle e i pianeti.
T: Quando si è formata la prima polvere di stelle nell’universo?
G: Per rispondere a questa domanda, la natura ha regalato agli astronomi un ammasso di galassie che, formando una lente gravitazionale, piega e distorce la luce, duplicando, illuminando e ingrandendo gli oggetti lontani.
Il telescopio spaziale Hubble ha scoperto quattro piccole galassie in collisione a 3,5 miliardi di anni luce di distanza. L’ammasso Abell 2744, conosciuto anche come Ammasso di Pandora per le sue numerose peculiarità, ne facilita l’osservazione. Le quattro galassie costituiscono solo una piccola parte (5%) della massa invisibile di materia oscura (75%) e gas caldo (20%). Questa massa agisce come una lente gravitazionale che ingrandisce di 10-20 volte le dimensioni di alcune galassie. Lo studio dell’acqua cosmica, specialmente in ambienti estremi come i quasar, fornisce delle informazioni cruciali su come si sono formate ed evolute le galassie, i buchi neri e le stelle.
ALMA ha studiato una delle galassie con lente gravitazionale dell’Ammasso di Pandora, denominata A2744_YD4, rilevando enormi quantità di polvere stellare e di ossigeno ionizzato. La caratteristica più sorprendente di A2744_YD4 è la sua distanza con un redshift z=8,38, osservata solo 600 milioni di anni dopo il Big Bang. Questo rende A2744_YD4 la prima galassia osservata che contenga sia polvere, sia ossigeno.
Secondo queste osservazioni, sarebbe trascorso un intervallo di tempo sorprendentemente breve tra il Big Bang e la prima comparsa di stelle e galassie. A oggi si ritiene che siano passati 280 milioni di anni dopo il Big Bang, ma il rapido susseguirsi di nuove scoperte potrebbe collocare la prima produzione d’acqua cosmica ancora più indietro nel tempo e sempre più vicina al Big Bang.
È stupefacente che solo 280 milioni di anni dopo il Big Bang esistesse già una galassia evoluta come MoM-z14, con diverse generazioni di formazioni stellari. Se confrontiamo questa età con quella del nostro sistema solare, che ha 4,5 miliardi di anni, o con l’età dell’universo, che ha 13,8 miliardi di anni, ci rendiamo conto di quanto sia estremamente breve questo intervallo di tempo. Queste informazioni, che sono il risultato di nuove osservazioni, effettuate soprattutto negli ultimi anni dal telescopio spaziale James Webb, progettato per sondare l’era più antica dell’universo, hanno spinto gli astronomi a ripensare il modo in cui si formarono inizialmente i buchi neri, le stelle e le galassie più antiche.
T: È affascinante pensare che l’acqua contenuta in un bicchiere possa essere più antica del Sole. L’idea dell’universo racchiuso in qualcosa di così ordinario come una goccia d’acqua potabile è sconvolgente.
L’articolo è uscito sull’Almanacco Equilibri 2026 “Energia H2O”.