In astronomia e astrobiologia, zona abitabile, e più precisamente, zona abitabile circumstellare o CHZ, è il termine scientifico per indicare la regione intorno ad una stella dove è teoricamente possibile per un pianeta mantenere acqua liquida sulla sua superficie. Il concetto è basato sulle condizioni favorevoli per la vita per come noi la conosciamo sulla Terra, dove l'acqua liquida è essenziale per tutte le forme di vita conosciute; quindi i pianeti in grado di avere acqua liquida in superficie sono considerati tra i più favorevoli per ospitare vita extraterrestre.
Zona abitabile è talvolta usato più generalmente per indicare diverse regioni che sono considerate favorevoli alla vita, come ad esempio la zona galattica abitabile, termine coniato da Guillermo Gonzalez nel 1995, e che rappresenta la distanza di un pianeta dal centro galattico. La posizione dei pianeti e dei satelliti naturali all'interno della zona abitabile della propria stella madre (e un'orbita quasi circolare) non è che uno dei tanti criteri da prendere in considerazione circa l'abitabilità planetaria ed è teoricamente possibile che esistano pianeti abitabili al di fuori della suddetta zona. Il termine inglese "Goldilocks planet" è usato per ogni pianeta che si trova all'interno della zona abitabile circumstellare (CHZ) New Scientist BBC, mentre il termine abitabilità planetaria implica che i pianeti abbiano certe similitudini con la Terra e che siano pianeti rocciosi. Sono state scoperte decine di pianeti nella zona abitabile, anche se la maggior parte di essi sembra significativamente più grande della Terra; probabilmente ciò è dovuto al fatto che date le grandi distanze coinvolte, è più facile rilevare pianeti di maggiori dimensioni. Secondo una stima del 2013 basta sui dati del telescopio spaziale Kepler, nella Via Lattea potrebbero esserci fino a 40 miliardi di pianeti delle dimensioni della Terra in orbita nelle zone abitabili di stelle simili al Sole e nane rosse e circa 11 miliardi di questi potrebbero orbitare attorno a stelle simili al Sole. Secondo un altro studio del 2020 invece, i pianeti terrestri nelle zone abitabili di stelle simili al Sole sarebbero circa 6 miliardi.
Alcuni scienziati hanno suggerito che la teoria della zona abitabile sia troppo semplicistica in quanto viene presa in considerazione solo la vita presente sulla Terra, mentre potrebbero esistere zone abitabili in cui altri composti diversi dall'acqua, come l'ammoniaca e il metano, possono esistere in forme liquide stabili. Alcuni astrobiologi ipotizzano che questi ambienti potrebbero permettere di raggiungere biochimiche alternative. Inoltre potrebbe esistere una grande varietà di habitat potenziali al di fuori della zona abitabile, come in oceani d'acqua sotto la superficie di qualche esopianeta, così come abitabili potrebbero essere oceani costituiti da ammoniaca o metano.
Il termine "zona abitabile" può anche riferirsi alla fascia del nostro sistema Solare, che comprende, ovviamente, anche la Terra, estendendosi, a seconda degli autori a distanze leggermente differenti: una delle più citate è la stima di Kasting et al. del 1993, che pone la zona abitabile compresa da una estensione minima di 0,95 UA a una di 1,37 UA dal Sole PHL.
Nel gennaio 2013, una nuova stima della zona abitabile è stata fatta da un team guidato da Kopparapu. La conclusione del loro studio è che le zone abitabili sono in realtà più lontane dalle stelle di quanto si pensasse in precedenza e che alcuni pianeti extrasolari precedentemente creduti essere nella zona abitabile potrebbero non esserlo più. In questo studio la Terra sarebbe situata vicino al bordo interno della zona abitabile PHL.
Storia Il concetto fu menzionato per la prima volta nel 1853, quando William Whewell la menzionò come "zona temperata del sistema solare".. Un secolo dopo, nel 1953, Harlow Shapley e Hubertus Strughold approfondirono l'importanza dell'acqua liquida per lo sviluppo della vita, coniando termini come "cintura dell'acqua liquida" ed "ecosfera", ossia la regione intorno a una stella in cui il flusso stellare ne consentirebbe la presenza in questo stato.. Nel 1959, Su-Shu Huang portò un'analisi più esaustiva della zona abitabile, considerando l'evoluzione stellare, i limiti dinamici in più sistemi e l'orbita attorno al piano galattico. Poco dopo, nel 1964, Stephen H. Dole sviluppò un concetto meno antropocentrico di questa regione, stimando in 600 milioni il numero di pianeti abitabili nella Via Lattea. Già nel 1993, Kasting, Whitmire e Reynolds svilupparono il concetto di zona abitabile circumstellare, diffuso nel XXI secolo, sviluppando diversi modelli climatici per delimitare con precisione il confine interno ed esterno della zona abitabile..
Più tardi, nel 2000, gli astronomi Peter Ward e Donald Brownlee introdussero il concetto di "Zona galattica abitabile", poi sviluppato da Guillermo Gonzalez. La zona galattica abitabile viene definita come quella regione in cui è più probabile che la vita emerga in una galassia, relativamente vicina al centro galattico dove le stelle sono ricche di elementi pesanti, ma non troppo per non essere esposte alle enormi forze gravitazionali presenti nei dintorni del centro galattico.
Zona circumstellare abitabile In un sistema solare, si pensa che un pianeta debba trovarsi a una certa distanza dalla propria stella per poter supportare la vita. La zona circumstellare abitabile (o ecosfera) è una sfera immaginaria circondante una stella: nello spazio delimitato da questa sfera, qualunque pianeta terrestre potrebbe essere in grado di mantenere la presenza di acqua liquida. La presenza di questo elemento sarebbe fondamentale per la vita, a causa dell'importante ruolo di solvente svolto in molte reazioni biochimiche. Nel 1959 i fisici Philip Morrison e Giuseppe Cocconi descrissero la zona circumstellare abitabile in una ricerca del SETI. Due anni dopo, Frank Drake rese popolare il concetto grazie ad una sua equazione (l'equazione di Drake).
La distanza da una stella alla quale un pianeta potrebbe sostenere forme di vita può essere calcolata conoscendo la dimensione e la luminosità della stella stessa. L'equazione è la seguente:
dove indica il raggio della zona abitabile espresso in unità astronomiche, indica la luminosità della stella, e indica la luminosità del Sole.
Ad esempio: una stella avente il 25% della luminosità del Sole avrà la sua zona abitabile a circa 0,50 UA di distanza, mentre per una stella avente il doppio della luminosità solare, tale zona "si allontanerà" a 1,4 UA di distanza. In pratica, la distanza richiesta è quella alla quale il pianeta riceve dalla sua stella la stessa intensità luminosa che la Terra (presa come modello) riceve dal Sole. Questa equazione è una conseguenza della proporzionalità quadratica inversa dell'intensità luminosa. Ovviamente, un pianeta che si trovasse in questa fascia non sarebbe obbligatoriamente abitabile o abitato: va premesso, infatti, che il pianeta dovrebbe essere di tipo terrestre, avendo quindi molte similarità con la Terra (tra cui, ad esempio, la composizione atmosferica).
Dato che le stelle evolvono, cambiando luminosità e temperatura, la zona abitabile tende a spostarsi. Un pianeta, dunque, dovrebbe trovarsi in una posizione che gli permettesse di rimanere sempre nei limiti della zona, affinché resti ipoteticamente abitabile.
Zona abitabile del sistema solare
Diverse sono state le stime della zona abitabile del sistema Solare, basate su diversi modelli scientifici. Lo stesso Sole nel corso del tempo ha aumentato la sua luminosità rispetto ai primi tempi della sua vita, di conseguenza la zona abitabile ha esteso i suoi confini. Viene detta zona abitabile conservativa quella fascia più ristretta entro la quale un pianeta rimane abitabile durante la maggior parte vita della stella nella sequenza principale, mentre la zona abitabile ottimistica è quella dove un pianeta può trovarsi dentro alla zona abitabile solo per un determinato periodo della vita di una stella, non sufficientemente lungo perché possano svilupparsi forme di vita complessa.
Kasting et al. nel 1993 elaborarono un modello considerando un pianeta che, come la Terra, abbia come importanti gas serra il vapore acqueo (H2O) e l'anidride carbonica. Secondo quel modello, la zona abitabile conservativa del Sole va da 0,95 a 1,37 UA, con un più "prudente" limite esterno a 1,15 UA, considerando l'età di 4,6 miliardi di anni del Sole e della sua minor luminosità nei primi miliardi di vita. Una rivisitazione dello studio di Kasting è stato fatto da Kopparapu et al. nel 2013, che ha suggerito limiti che vanno da 0,99 a 1,68 UA dal Sole, collocando quindi la Terra vicino al limite interno della zona abitabile conservativa. Secondo lo stesso studio Venere si trova al limite interno della zona abitabile ottimistica, poiché è possibile che ne fosse all'interno quando il Sole era meno luminoso, oltre un miliardo di anni fa, poiché studi condotti tramite le sonde spaziali hanno appurato che l'acqua liquida su Venere è assente da almeno 1 miliardo di anni, da quando il Sole aveva il 92% della luminosità attuale o meno. Dall'altra parte, viene assunto come limite esterno della zona abitabile ottimistica l'orbita di Marte, poiché nei primi milioni di anni di vita del sistema solare, quando era più caldo a causa della recente formazione, aveva probabilmente condizioni per avere acqua liquida in superficie, nonostante un minore irraggiamento del Sole.
Considerando diverse composizioni atmosferiche, altri studi suggeriscono limiti più ampi della zona abitabile del Sole, come quello di Zsom et al. del 2013, che basandosi su varie composizioni dell'atmosfera, della pressione e dell'umidità relativa di un pianeta, questi potrebbe essere abitabile anche a soli 0,38 UA dal Sole, mentre al contrario, Ramirez and Kaltenegger nel 2017 suggeriscono che se l'atmosfera avesse una concentrazione almeno del 50% di idrogeno vulcanico un pianeta attorno al Sole potrebbe essere abitabile fino a 2,4 UA di distanza.
La stima della zona abitabile del sistema solare è resa difficile a causa di una lunga serie di fattori, e anche se nelle zone abitabili ottimistiche ipotizzate in diversi studi l'afelio del pianeta Venere, l'orbita della Luna e il pianeta Marte si trovano all'interno della zona abitabile, le diverse pressioni atmosferiche di questi pianeti, piuttosto che la zona abitabile, determinano la loro potenziale abitabilità. Nel caso di Venere, la pressione atmosferica è troppo elevata, e un effetto serra estremamente alto determina un grande innalzamento della temperatura superficiale. Nel caso di Marte invece, la pressione atmosferica è troppo bassa, di conseguenza l'atmosfera e l'acqua si sono in gran parte disperse nello spazio, così com'è successo alla Luna.
La maggior parte delle stime è calcolata prendendo come riferimento la Terra, la sua massa e la sua costituzione atmosferica, ma un pianeta con un'atmosfera più densa di quella della Terra (perché più massiccio), come ad esempio Gliese 667 Cd o Gliese 581 d, in orbita nella zona abitabile estesa, potrebbe teoricamente avere acqua allo stato liquido in superficie, inoltre, la zona conservativa di un pianeta attorno a una stella di tipo K o M è proporzionalmente più ampia, poiché queste stelle vivono molto più a lungo del Sole.
Lo studio di Kasting rivisitato da Koppararu nel 2013 è comunque quello comunemente più accettato per pianeti con massa e composizione atmosferica simile a quella terrestre.
Atmosfera planetaria Affinché un pianeta possa avere acqua liquida in superficie deve avere una massa sufficiente per creare una gravità atta a poter trattenere l'acqua allo stato liquido.