Il mistero dell’azoto mancante sulla cometa svelato da Rosetta

Negli anni Ottanta la missione Giotto incontrava la cometa di Halley, rivelando la composizione chimica della sua chioma e lasciando sorpresi gli astronomi. La chioma, cioè l’atmosfera che si forma quando la cometa si avvicina al Sole, presentava tracce di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Se i primi tre elementi erano in abbondanze simili a quelle del Sole, l’azoto era presente in quantità molto inferiori di quanto atteso dalle previsioni.

Proprio come gli altri elementi, l’azoto è uno dei mattoni della vita come la conosciamo sulla Terra, e la bassa quantità riscontrata sulla cometa di Halley, per 30 anni, ha lasciato un interrogativo aperto. Che fine aveva fatto quell’azoto? La risposta ora sembra essere arrivata grazie alla missione Rosetta e all’analisi dei campioni e dei dati raccolti sulla cometa 67/P Churyumov-Gerasimenko, anche detta Chury.

La superficie di Chury sarebbe ricoperta da una polvere scura che contiene sali di ammonio, che evaporano a temperature di molto superiori a quella dell’acqua. L’azoto mancante nella chioma della cometa quindi non era mancante, ma solo nascosto in forma solida sulla sua superficie e, prima di Rosetta, ci era stato impossibile scoprirlo.

Un risultato che risponde a una domanda posta oltre 30 anni fa grazie al lavoro dell’Agenzia spaziale europea (ESA) e all’analisi dati di Olivier Poch, ricercatore dell’Institut de Planétologie et d’Astrophysique di Grenoble, in Francia, che ha pubblicato la scoperta sulla rivista Science.

La missione Giotto e l’azoto mancante di Halley

Per poter arrivare ai giorni nostri, facciamo un passo indietro. Nella notte tra il 13 e il 14 marzo 1986 la sonda Giotto lanciata dall’Agenzia spaziale europea (ESA) effettuò un flyby della cometa di Halley. Un passaggio ravvicinato per la prima missione dell’agenzia nello spazio profondo a quasi 150 milioni di chilometri dalla Terra. La sonda si spinse fino alla parte più densa della chioma polverosa di Halley, fotografando il nucleo della cometa a una distanza di appena 2000 chilometri e trasmise le immagini a noi.

La missione procedeva e la sonda viaggiava alla velocità di 68 chilometri al secondo, quando appena 7.6 secondi prima di raggiungere il punto di massimo avvicinamento al nucleo, fu colpita da una particella dal peso di circa un grammo: dimensioni che possono sembrarci minime, ma che a quelle velocità avrebbero potuto distruggere Giotto. La sonda fortunatamente sopravvisse, ma quando gli scienziati riuscirono a ottenere un collegamento con la Terra, la cometa si stava già allontanando.

Nonostante l’impatto, i dati ottenuti dalla missione furono estremamente importanti, perché permisero di scoprire che le comete non sono delle “palle di neve sporche”, dato che la polvere è dominante rispetto al ghiaccio. Inoltre, si scoprì che il loro nucleo appare allungato e che la sua struttura interna è definita proprio dalla polvere di cui è costituita.

La missione Giotto fornì anche importanti dati sulla composizione chimica della cometa, composta da acqua, monossido di carbonio, diossido di carbonio, metano e ammoniaca, insieme a tracce minori di idrocarburi, ferro e sodio. Analizzando le particelle di polvere che la formano, gli astronomi osservarono che le quantità di carbonio, idrogeno e ossigeno avevano abbondanze relative simili a quelle del Sole. L’azoto, invece, era presente in quantità inferiore a quanto atteso.

Missione Rosetta e i sali di ammonio su Chury

Nel 2014 è iniziata invece l’avventura dell’ESA con la missione Rosetta, la prima sonda ad arrivare sul nucleo di una cometa, che ha visto l’Italia in prima linea con i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) e dell’Agenzia Spaziale Italiana (Asi). La missione però ha raccolto anche importanti dati per rispondere alla domanda sull’azoto mancante che Giotto aveva lasciato senza una risposta.

Analizzando i dati chioma della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko raccolti dallo strumento ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis), i ricercatori dell’Università di Bern guidati da Kathrin Altwegg ha individuato un’alta presenza di ammoniaca, superiore a quanto atteso. I risultati sono stati pubblicati in uno studio sulla rivista Nature Astronomy lo scorso gennaio 2020.

Un risultato che è stato confermato anche dall’analisi dei dati raccolti tra agosto 2014 e maggio 2015 dallo strumento VIRTIS (Visible, Infrared and Thermal Imaging Spectrometer). I ricercatori guidati da Olivier Poch dell’Institut de Planétologie et d’Astrophysique di Grenoble, in Francia, hanno scoperto che sulla superficie della cometa sono presenti sali di ammonio e lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science il 13 marzo.

Lo strumento VIRTIS, frutto della collaborazione tra Inaf, Leonardo e ASI, ha mappato la cometa durante la prima metà della missione Rosetta e permesso di studiare la superficie cometaria, caratterizzata da polvere nera come il carbone con macchie rossastre dovute a una miscela di composti carbonici e minerali opachi. I dati hanno rivelato anche tracce di acqua e di ghiaccio di diossido di carbonio, che provocano un assorbimento delle lunghezze d’onda nell’infrarosso.

Fino ad oggi la natura di quel composto era rimasta senza una spiegazione, ma il team di scienziati coordinato da Poch ha elaborato un esperimento che ne rivelasse le caratteristiche. I ricercatori hanno ricreato artificialmente in laboratorio la superficie cometaria di Chury, combinando particelle di ghiaccio d’acqua contenente polveri con una grande varietà di composti.

Le particelle sono poi state sottoposte alle condizioni ambientali tipiche che una cometa sperimenta, come il vuoto e le basse temperature. Dopo diverse ore, il ghiaccio era sublimato, ricreando così la superficie polverosa e porosa tipica di una cometa.

Studiando le linee di assorbimento della polvere cometaria artificiale, i ricercatori hanno scoperto che corrispondevano alle caratteristiche dei sali di ammonio miscelati alla polvere scura. La presenza dei sali aumenta considerevolmente la quantità di azoto presente sulla cometa, tornando ai valori inizialmente attesi.

Sali di ammonio e vita nel sistema solare

I sali di ammonio sono presenti non solo sulla cometa Chury, ma simili caratteristiche di assorbimento sono state osservate in passato anche su molti asteroidi, sia nella fascia principale degli asteroidi situata tra le orbite di Marte e Giove, che nella famiglia degli asteroidi troiani di Giove, come ad esempio la sua luna Himalia.

Questa particolare composizione chimica sembra essere comune in comete, asteroidi e forse anche per la nebulosa protosolare, da cui per la teoria astrofisica si sarebbero formati pianeti e altri corpi celesti del nostro sistema. In particolare, spiegano i ricercatori, i sali di ammonio potrebbero avere un ruolo nella chimica dell’azoto nelle diverse fasi del ciclo cosmico della materia.

Se si formassero nel ghiaccio che riveste le particelle di polvere dei dischi proto-planetari, i sali potrebbero agire da aggreganti per gli embrioni planetari e in questo modo aver fornito l’azoto ai pianeti più interni e rocciosi del sistema solare, favorendo nel caso della Terra i processi chimici prebiotici che hanno portato alla vita.

I sali di ammonio inoltre sono i precursori di molte molecole astrobiologicamente rilevanti, come aminoacidi, adenine e nucleotidi, cioè i mattoni della vita come la conosciamo. La loro presenza su asteroidi e comete, quindi, risolve il problema dell’azoto mancante ma soprattutto rafforza le teorie secondo cui questi corpi celesti possano essere i veicoli delle molecole della vita sul nostro pianeta e nel sistema solare.

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