Particelle di polvere dal bordo del sistema solare sul tetto della TU

Sul tetto dell'edificio di fisica Eugene-Paul-Wigner della TU di Berlino non si può solo guardare nello spazio con un telescopio. Accanto, i ricercatori hanno trovato due micrometeoriti nei depositi sul pavimento. Uno di loro proviene probabilmente dal bordo del sistema solare.

La cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, fotografata il 20 novembre 2014 dalla sonda Rosetta dell'Agenzia Spaziale Europea ESA. Rosetta era a quel momento a soli 31 chilometri dal cometa. Soprattutto quando si trova vicino al sole, il cometa emette continuamente fontane di gas e polvere. I particelle di polvere potrebbero poi arrivare sulla Terra come micrometeoriti.

Micrometeorite con una perla metallica sul bordo. Si è formata dopo che, durante la fase di fusione nell'atmosfera terrestre, gli elementi nichel e ferro si sono separati dal resto. Durante il raffreddamento, questi metalli si sono solidificati in un pallino speciale. Su di esso si può leggere come il micrometeorite sia penetrato nell'atmosfera, ovvero con il pallino in testa.

Micrometeorite con motivo a conchiglia, formatosi attraverso processi di cristallizzazione speciali nell'atmosfera terrestre. Probabilmente proviene dal sistema solare esterno e potrebbe essersi staccato da comete che passano vicino a Giove o da materiale roccioso nel cinturino di Kuiper — a una distanza circa 40 volte quella tra la Terra e il Sole.

I cittadini scienziati possono raccogliere micrometeoriti sui loro tetti e, con un po' di pratica, identificarli al microscopio ottico. I più esperti di loro hanno ora, insieme a un team di ricercatori dell'Università Tecnica di Berlino e del Museo di Storia Naturale di Berlino, nonché di altri scienziati internazionali, potuto con alta probabilità chiarire i luoghi di origine di due micrometeoriti nel sistema solare. Entrambi si trovavano nella polvere raccolta sul tetto dell'edificio di fisica Eugene-Paul-Wigner dell'Università di Berlino. Per la prima volta in questo studio è stata utilizzata una simulazione al computer, che tiene conto di una vasta gamma di orbite possibili, caratteristiche delle particelle e dell'influenza delle radiazioni cosmiche sui micrometeoriti. I dati di questa simulazione sono stati poi confrontati con le misurazioni dei micrometeoriti nel acceleratore di particelle VERA dell'Università di Vienna, per determinare il loro luogo di origine.

Scott Peterson è un veterano dell'esercito statunitense, studia ingegneria chimica a Minneapolis e si occupa contemporaneamente come casalingo di suo figlio. Inoltre, è uno dei collezionisti di micrometeoriti più esperti al mondo. Questa comunità cresce costantemente, da quando il musicista jazz norvegese e cittadino scienziato Jon Larsen nel 2015, insieme all'Imperial College di Londra, ha dimostrato per la prima volta che i micrometeoriti non si trovano solo in luoghi remoti come il fondale degli oceani o il ghiaccio dell'Antartide, ma anche sui nostri tetti.

I cittadini scienziati identificano i micrometeoriti

"Abbiamo chiesto a Scott di dare un'occhiata ai nostri campioni, perché ha semplicemente il miglior occhio per l'identificazione dei micrometeoriti al microscopio", racconta la dottoressa Jenny Feige, che con un ERC-Starting-Grant del Consiglio Europeo per la ricerca studia la polvere cosmica. Inizialmente al Centro di Astronomia e Astrofisica (ZAA) dell'Università di Berlino, oggi al Museo di Storia Naturale di Berlino, dove vengono condotti anche altri progetti sui micrometeoriti insieme a cittadini scienziati. Prima della consultazione di Scott Peterson, i ricercatori dell'Università di Berlino erano saliti sul tetto dell'edificio di fisica con la cupola del telescopio, avevano spazzato e raccolto le depositi dagli angoli. "Tutto viene immerso in acqua per eliminare le foglie più piccole e simili. Poi riscaldiamo il sedimento a 600 gradi per distruggere completamente microbi e altri materiali organici. Successivamente, il materiale viene setacciato, e inizia la ricerca dei micrometeoriti", spiega Feige.

Da nasi e gusci di tartaruga

Nel campione si trovavano innumerevoli palline di circa 100-500 micrometri, la maggior parte delle quali, secondo il linguaggio dei ricercatori, rappresentavano una "contaminazione antropogenica" — cioè provenienti da fonti umane come lavorazioni di metallo, fuochi d'artificio o semplicemente trucioli di metallo dal traffico stradale. Nell'ultima sottoparticella, Scott Peterson ha effettivamente trovato due micrometeoriti, che potevano essere attribuiti a una determinata classe grazie a strutture caratteristiche. Queste strutture si formano quando le particelle di polvere cosmica penetrano nell'atmosfera terrestre, vengono frenate dall'attrito con le particelle d'aria e si riscaldano intensamente fino a fondersi. Dopo aver perso in media il 90% della loro massa, il resto cristallizza durante il raffreddamento, in modo diverso a seconda dell'angolo di ingresso, della velocità, della composizione e delle condizioni ambientali.

Così, uno dei micrometeoriti presenta, a causa di particolari processi di cristallizzazione, un motivo simile a quello di un guscio di tartaruga. Nell'altro, durante la fase di fusione, gli elementi nichel e ferro si sono separati dal resto e, raffreddandosi, si sono solidificati in un piccolo pallino attaccato al micrometeorite. "Da questa 'naso' si può anche dedurre come sia entrato nell'atmosfera, cioè con il pallino in avanti", racconta Feige.

I micrometeoriti possono raccontare condizioni del sistema solare

"È ancora una grande sfida per la scienza riuscire a determinare il luogo di origine dei micrometeoriti trovati sulla Terra", afferma la dottoressa Beate Patzer, astrofisica teorica al ZAA dell'Università di Berlino. "Tuttavia, sarebbe molto auspicabile, perché i micrometeoriti possono provenire da aree molto diverse del nostro sistema solare, con condizioni molto differenti. La Terra cattura circa 100 tonnellate di polvere interplanetaria al giorno. I micrometeoriti sono quindi molto più frequenti di meteoriti più grandi; potremmo quindi generare molte più dati e imparare molto di più sul nostro sistema solare."

Tempo di volo fino alla Terra

Un metodo per determinare l'origine di un micrometeorite è l'analisi di isotopi radioattivi a lunga durata, formatisi durante il suo viaggio nello spazio attraverso l'esposizione alle radiazioni cosmiche presenti ovunque nell'universo. "Analizzando il rapporto tra diversi isotopi con differenti tempi di dimezzamento e utilizzando un modello fisico che descrive la formazione di questi isotopi, si può dedurre il tempo di volo delle particelle di polvere extraterrestre fino alla Terra — e quindi il loro luogo di origine nel sistema solare", spiega Patzer.

Prima simulazione al computer per l'analisi

"Per questa analisi abbiamo creato per la prima volta una simulazione complessa al computer, che tiene conto delle possibili orbite delle particelle di polvere interplanetaria, delle dimensioni dei granelli di polvere, della loro composizione e densità, dei profili di radiazione del Sole e delle radiazioni cosmiche dallo spazio interstellare, dei tassi di vaporizzazione durante l'ingresso nell'atmosfera terrestre e di molti altri parametri", dice Jenny Feige. I ricercatori si sono concentrati sugli isotopi radioattivi alluminio-26 e berillio-10.

Per poter misurare le quantità molto piccole di isotopi nei micrometeoriti, il team di ricerca ha collaborato con l'acceleratore di particelle VERA a Vienna. Con la "spettrometria di massa acceleratore" eseguita lì, gli elementi chimici vengono ordinati non solo per massa, ma anche in base al numero di protoni nel nucleo — consentendo un'identificazione univoca degli isotopi.

Tartaruga ai confini del sistema solare

Le concentrazioni di alluminio-26 e berillio-10 nei micrometeoriti sono state confrontate con i risultati della simulazione al computer, che predice l'arricchimento di questi radioisotopi nei micrometeoriti in funzione del tempo di volo e quindi del luogo di origine nello spazio. In questo modo, l'origine di sei micrometeoriti raccolti in altri luoghi è risultata incerta; invece, sei altri micrometeoriti sono stati attribuiti con alta probabilità a un luogo di origine, tra cui i due trovati sul tetto dell'Università di Berlino: il micrometeorite con il motivo a guscio di tartaruga proviene dall'esterno del sistema solare e potrebbe essere derivato da comete che passano vicino a Giove o da materiale roccioso nel Cintura di Kuiper — a una distanza circa 40 volte quella tra la Terra e il Sole. Il micrometeorite con il "naso", invece, proviene dal sistema solare interno, da oggetti vicini alla Terra o fino alla fascia degli asteroidi tra Marte e Giove.

"Con questo risultato abbiamo potuto dimostrare l'idoneità fondamentale del nostro metodo", afferma Jenny Feige. "In futuro, ci permetterà di imparare ancora di più sul cosmo grazie ai micrometeoriti. Questi sono particolarmente preziosi sui nostri tetti, perché conosciamo molto precisamente il loro tempo di permanenza sulla Terra: non può essere più vecchio del tetto stesso. Al contrario, i micrometeoriti trovati nel fondo dell'oceano o in Antartide potrebbero essere lì da milioni di anni, rendendo i risultati meno affidabili."