L’ossigeno molecolare nello spazio

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Diego Tesauro

Mentre stiamo leggendo questa pagina web stiamo immettendo nei nostri polmoni dell’aria che contiene per quasi il 21% della sua composizione la molecola di ossigeno. La molecola di ossigeno è la seconda componente dell’atmosfera terrestre e riveste un ruolo fondamentale per le forme di vita superiori. Questo dato ci spinge a porre una domanda. La molecola di ossigeno è presente ugualmente nel sistema solare e poi in altri sistemi planetari o nel gas interstellare?

L’ossigeno è il terzo componente dell’universo dopo l’idrogeno ed elio. Si è formato a seguito di processi di fusione nucleare di elio nei nuclei delle giganti rosse, stelle nella loro fase evolutiva avanzata quando nel nucleo della stella si raggiungono temperature di centinaia di milioni di gradi. Questa osservazione e le nostre conoscenze chimiche, per cui due atomi di ossigeno per raggiungere uno stato energeticamente più basso mettono in compartecipazione i loro elettroni, ci dovrebbero far concludere che la molecola di ossigeno sia ubiquitaria nell’universo. E così pensavano anche gli astronomi fino ad una ventina di anni fa quando cominciarono ad indagare le nubi interstellare diffuse in tutti i domini dello spettro elettromagnetico alla ricerca dell’ossigeno molecolare mediante osservatori posti al di fuori dell’atmosfera terrestre (la quale ovviamente interferisce con simili ricerche). Sorprendermente fino al 2006 non si aveva traccia della molecola di ossigeno nelle nubi interstellari fredde a 10-50 K in quanto nei grani di polvere non si rilevava l’ossigeno molecolare solido, ma solo combinato ad altri elementi.

L’osservatorio svedese Odin che operava nel dominio delle onde radio a 118,75 GHz, ritrovò la molecola di ossigeno, dopo una lunga analisi degli spettri per rimuovere i rumori di fondo, a una distanza di circa 500 anni luce nella nebulosa rho Oph A nella costellazione dell’Ofiuco, un luogo dove sono in formazione stelle (1) . L’abbondanza di O2 era però mille volte inferiore a quanto atteso. Il secondo rilevamento avvenne nel 2011 quando Herschel un osservatorio dell’ESA nel dominio del lontano infrarosso a tre frequenze legate a transizioni rotazionali della molecola di ossigeno 487 GHz, 774 GHz, e 1121 GHz individuò la molecola nella famosissima nebulosa M42 della costellazione di Orione, che possiamo facilmente osservare a occhio nudo nel rapporto di un milionesimo rispetto all’idrogeno molecolare. Ma se la scoperta della molecola era un evento raro, l’ossigeno era ben presente come previsto ma era per la maggior parte combinato con l’idrogeno nella molecola d’acqua e nel radicale ossidrile o con il carbonio nel monossido di carbonio (2). L’ossigeno aderendo alle polveri presenti nelle nebulosa si genera solo a temperature superiori ai 100-150 K mediante interazione con la radiazione elettromagnetica che ne permette, attraverso ben conosciuti meccanismi, l’estrazione dall’acqua. Pertanto bisognava concludere che l’ossigeno molecolare non era così abbondante nell’universo, ma era presente in quantità cospicua sulla Terra soltanto a seguito di generazione biocatalitica. Si sarebbe potuto quindi riscontrare abbondantemente in presenza di fenomeni vitali ed essere quindi un marcatore della vita nell’osservazione degli oggetti celesti.

La scarsa presenza di ossigeno molecolare nelle nebulose di gas interstellare era confermato dalla mancata rilevazione nelle chiome e nelle code delle comete che rappresentano gli oggetti che meglio conservano le caratteristiche delle nebulose primordiali dalle quali si formano tutti gli oggetti stellari. Questa conclusione veniva smentita nel 2015 dalla sonda Rosetta che rilevava nella chioma della cometa 67P Churyumov-Gerasimenko oltre l’acqua, il monossido e il biossido di carbonio, per la prima volta una grande quantità di ossigeno molecolare mediante lo spettrometro di massa ROSINA-DFMS (3). A questo punto essendo l’ossigeno molecolare volatile da dove proveniva? L’analisi dei gas della chioma della cometa presentava un rapporto di O2/H2O nell’arco dei nove mesi di osservazione costante. Questa osservazione permetteva di escludere la diretta radiolisi o fotolisi in quanto la quantità di radiazione che investiva la cometa non era costante. Un’analisi isotopica consentiva di avanzare l’ipotesi, non essendo certamente presenti organismi che svolgevano funzioni catalitiche ossidative dell’acqua, che l’ossigeno fosse intrappolato all’interno nel nucleo che progressivamente andava sciogliendosi per effetto della radiazione solare. Quindi la nebulosa, dalla quale si era formato il sistema solare, doveva essere molto più calda di quanto si supponesse per giustificarne un’origine abiotica. Recentemente un modello studiato da un ingegnere dei materiali, pubblicato su Nature Communications, mette in discussione tale ipotesi fornendo prove della formazione della molecola di ossigeno da acqua ionizzata in presenza di silicati ed ossidi di ferro presenti sulla superficie della cometa secondo il meccanismo di reazione di Eley–Rideal (4). La reazione procede a seguito di estrazione di un atomo di ossigeno dalla superficie cometaria da parte di H2O+ generando uno stato eccitato che a seguito della dissociazione i due atomi di idrogeno produce O2

Pertanto l’ossigeno si verrebbe formando in loco avanzando quindi una nuova possibile spiegazione per la formazione della molecola in condizioni abiotiche diverse da quelle ipotizzate in precedenti studi che la confinavano ad fenomeni di fotolisi a temperature intorno a 150 K. Il dibattito è ovviamente ancora aperto ed lontano da una definitiva conclusione.

  • Larsson, B. et al. Molecular oxygen in the r Ophiuchi cloud. Astrophys. 466, 999–1003 (2007).
  • Goldsmith, P. F. et al. Herschel measurements of molecular oxygen in Orion . J. 737, 96 (2011).
  • Bieler, A. et al. Abundant molecular oxygen in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Nature 526, 678–681 (2015).
  • Y Yao and K.P. Giapis Nature Commun. 8, article number 15298 (2017) doi 10/1038. .

  • La nebulosa rho Oph A (foto di Alex Mellinger).

Young Stars in the Rho Ophiuchi Cloud Credit: NASA JPL-Caltech, Harvard-Smithsonian CfA

 

M42 posa di 30 s , a 800 ISO ripreso con Celestron CG 11 dall’osservatorio di Capodimonte (foto UAN)

OSIRIS wide-angle camera image acquired on 22 November 2014 from a distance of 30 km from Comet 67P/C-G. The image resolution is 2.8 m/pixel. Credits: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA