Atmosfere esoplanetarie calcolate con carta e penna

Normalmente i computer consentono di velocizzare i calcoli. Ma Kevin Heng dell’Università di Berna, in Svizzera, con la sua nuova formula, carta e penna alla mano, ottiene risultati migliaia di volte più veloci rispetto all’utilizzo di codici di calcolo convenzionali. L’astrofisico calcola le abbondanze delle molecole presenti nelle atmosfere degli esopianeti.

Tramite l’utilizzo di strumenti sofisticati, oggi gli astronomi non solo scoprono nuovi pianeti al di fuori del Sistema Solare, ma sono anche in grado di caratterizzare le atmosfere di alcuni di questi mondi lontani. Kevin Heng, direttore del Center of space and Habitability (CSH) presso l’Università di Berna, è un esperto di calcoli che mirano a conoscere le abbondanze delle molecole presenti nelle atmosfere.

“Il Sole e le altre stelle hanno una percentuale molto definita di elementi chimici quali idrogeno, carbonio, ossigeno o azoto”, spiega: “E ci sono ampie prove che i pianeti si formino dalla stessa materia delle stelle”. Ma mentre nelle stelle gli elementi esistono come atomi, alle temperature più basse delle atmosfere esoplanetarie si formano molecole differenti, in funzione di temperatura e pressione.

Alle basse temperature, per esempio, il composto dominante del carbonio è il metano, alle alte temperature è il monossido di carbonio. La gamma di possibili reazioni chimiche è ben nota, ma molto vasta. Pertanto, i calcoli convenzionali sono complessi e richiedono molto tempo. “Ho trovato un modo per fare questi calcoli molto più velocemente, risolvendo il 99% del problema su carta, prima ancora di toccare un computer”, afferma Kevin Heng. “Normalmente, si risolve quello che noi chiamiamo un sistema di equazioni accoppiate non lineari. Sono riuscito a ridurre il problema alla soluzione di una singola equazione polinomiale”. Risolvere questa equazione polinomiale poi richiede una frazione ridotta dell’originario tempo di calcolo su computer.

“Mi ci sono voluti un paio di mesi per arrivarci”, dice l’astrofisico. Lo studio finale è stato accettato per la pubblicazione su Astrophysical Journal. “Questa innovazione riduce essenzialmente la parte principale del programma a una riga di codice. Ora siamo in grado di calcolare la chimica in 0,01 secondi (10 millisecondi), invece di pochi minuti. E quasi non si può riconoscere la differenza tra i miei calcoli e quelli ottenuti tramite il complesso codice computazionale”. Nessuna meraviglia che lo studio abbia suscitato scalpore nella comunità degli esperti anche prima della sua pubblicazione ufficiale.

Il nuovo metodo analitico ha diverse implicazioni. L’accelerazione notevole consente un’esplorazione più approfondita delle possibilità nell’interpretare gli spettri delle atmosfere degli esopianeti. Per Heng la cosa più interessante è la possibilità per la democrazia scientifica: “Ora è facile per qualsiasi astronomo, in tutto il mondo, calcolare la chimica atmosferica negli esopianeti. Uno non ha più bisogno di implementare un sofisticato codice informatico. Questa conoscenza è immediatamente trasferibile a qualsiasi altro scienziato del mondo”.

Osservando le atmosfere degli esopianeti gli scienziati sperano di scoprire come questi oggetti si formino e che tipo di processi siano in corso. Le differenze tra le abbondanze calcolate e osservate delle molecole potrebbero rivelare processi geologici o anche biologici. “Forse tra 20 o 30 anni osservando un’atmosfera planetaria con acqua, ossigeno, ozono e altre molecole potremo chiederci se abbiamo trovato la vita”, conclude Kevin Heng: “Ma prima dovremo rispondere alla domanda se i dati possono essere spiegati dalla fisica o dalla geologia”.

[ Barbara Bubbi ]

http://phys.org/news/2016-07-atmospheric-chemistry-paper.html

Credit: © ESO