In astrobiologia e astrofisica planetaria, la zona galattica abitabile è la regione di una galassia in cui molto probabilmente si potrebbe sviluppare la vita. Il concetto di zona galattica abitabile analizza vari fattori, come la metallicità (la presenza di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio) e la frequenza e densità dei vari eventi catastrofici come l'esplosione di supernove, e li utilizza per calcolare in quali regioni di una galassia sia più probabile la formazione di pianeti terrestri che possano fornire un ambiente adatto per la nascita e lo sviluppo di organismi viventi. Secondo una ricerca pubblicata nell'agosto 2015, galassie molto grandi possono favorire la nascita e lo sviluppo di pianeti abitabili più delle galassie più piccole come la Via Lattea. Nel caso della Via Lattea, si crede comunemente che la sua zona galattica abitabile sia un anello con un raggio esterno di circa () e un raggio interno vicino al Centro Galattico (senza confini precisi).
La teoria della zona galattica abitabile è stata criticata a causa dell'incapacità di quantificare con precisione i fattori che rendono una regione di una galassia favorevole all'emergere della vita. Inoltre, le simulazioni al computer suggeriscono che le stelle possono cambiare le loro orbite attorno al centro galattico in modo significativo, quindi non è detto che alcune aree galattiche siano necessariamente più vitali di altre.
Storia Già negli anni cinquanta era stata introdotta da più astronomi la zona abitabile circumstellare, ossia la zona attorno a una stella con le condizioni adatte per poter mantenere l'acqua liquida sulla superficie di un pianeta.
Dagli anni 70, i planetologi e gli astrobiologi iniziarono a considerare vari altri fattori necessari per la creazione e il sostentamento della vita, incluso l'impatto che una vicina supernova può avere sullo sviluppo della vita.Guillermo Gonzalez, Donald Brownlee, Peter Ward, The Galactic Habitable Zone I. Galactic Chemical Evolution, 12 marzo 2001 Nel 1981, l'informatico Jim Clarke propose che l'apparente mancanza di civiltà extraterrestri nella Via Lattea potesse essere spiegata da esplosioni come quelle che avvengono nei nuclei galattici attivi delle galassie di Seyfert, con la sola Terra risparmiata da questa radiazione in virtù della sua posizione nella galassia. Nello stesso anno, Wallace Hampton Tucker ha analizzato l'abitabilità galattica in un contesto più generale, ma il lavoro successivo ha sostituito le sue proposte.
La moderna teoria della zona abitabile galattica è stata introdotta nel 1986 da L.S. Marochnik e L.M. Mukhin del Russian Space Research Institute, che hanno definito la zona come la regione in cui la vita intelligente potrebbe prosperare. Donald Brownlee e il paleontologo Peter Ward hanno ampliato il concetto di una zona galattica abitabile, così come gli altri fattori necessari per l'emergere di una vita complessa, nel loro libro del 2000 Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe. Nel suddetto libro, gli autori hanno usato la zona galattica abitabile, tra gli altri fattori, per sostenere che la vita intelligente non è un evento comune nell'Universo.
L'idea di una zona abitabile galattica è stata ulteriormente sviluppata nel 2001 in un articolo di Ward e Brownlee, in collaborazione con Guillermo Gonzalez dell'Università di Washington. In quell'articolo Gonzalez, Brownlee e Ward affermavano che le regioni vicine all'alone galattico mancherebbero degli elementi più pesanti necessari per produrre pianeti terrestri abitabili, creando così un limite esterno alla dimensione della zona abitabile galattica. Essere troppo vicini al centro galattico, tuttavia, esporrebbe un pianeta altrimenti abitabile a numerose supernove e altri eventi cosmici energetici, nonché a impatti cometari eccessivi causati dalle perturbazioni della nube di Oort della stella ospite. Pertanto, gli autori hanno stabilito un confine interno per la zona abitabile galattica, situata appena fuori del bulbo galattico.
Fattori Per identificare un luogo nella galassia come parte della zona galattica abitabile, è necessario tenere conto di una grande varietà di fattori. Questi includono la distribuzione di stelle e bracci a spirale, la presenza o l'assenza di un nucleo galattico attivo, la frequenza di supernove vicine che possono minacciare l'esistenza della vita, la metallicità di quella posizione e altri fattori. Senza soddisfare questi fattori, una regione della galassia non può creare o sostenere la vita con efficienza.
Evoluzione chimica
Vari elementi, come ferro, magnesio, titanio, carbonio, ossigeno, silicio e altri, sono necessari per produrre pianeti abitabili, e la concentrazione e i rapporti di questi variano nelle differenti zone della galassia.
Il rapporto elementare di riferimento più comune è quello del rapporto tra la concentrazione di ferro e idrogeno ([Fe/H]); la metallicità è uno dei fattori che determinano la propensione di una regione della galassia a produrre pianeti terrestri. Il bulbo galattico, la regione della galassia più vicina al centro galattico, ha una distribuzione [Fe/H] con un picco di −0,2 rispetto al rapporto del Sole (dove −1 sarebbe 1⁄10 di tale metallicità); il disco sottile, in cui si trovano i settori locali del braccio locale, ha una metallicità media di −0,02 alla distanza orbitale del Sole attorno al centro galattico, che si riduce di 0,07 per ogni kiloparsec allontanandosi dal centro galattico. Il disco spesso esteso ha una media [Fe/H] di −0,6 mentre l'alone, la regione più lontana dal centro galattico, ha il picco di distribuzione [Fe/H] più basso, intorno a -1,5, vale a dire appena il 3% dell'abbondanza di metalli presenti nel Sole. Inoltre è necessaria anche un'abbondanza di radionuclidi per lo sviluppo di una tettonica delle placche, del vulcanismo e di un effetto dinamo perché si possa creare un campo magnetico tipo quello terrestre.
Sebbene l'elevata metallicità sia benefica per la formazione di pianeti extrasolari di tipo terrestre, una quantità eccessiva può essere dannosa per la vita. Una metallicità troppo alta può portare alla formazione di un gran numero di giganti gassosi in un dato sistema, che possono successivamente migrare da oltre il limite della neve e diventare dei gioviani caldi, disturbando la stabilità orbitale di pianeti situati nella zona abitabile circumstellare. Pertanto la metallicità dev'essere adeguata: una bassa metallicità rende difficile la formazione di pianeti terrestri, un'alta metallicità invece ha grosse probabilità di consentire la formazione di una gran numero di giganti gassosi, che altererebbero l'abitabilità dei pianeti rocciosi del sistema.
Eventi catastrofici
Oltre a trovarsi in una regione della galassia chimicamente vantaggiosa per lo sviluppo della vita, le stelle non devono produrre un numero eccessivo di eventi cosmici catastrofici, potenzialmente dannosi per la vita. Le supernove vicine possono danneggiare gravemente lo sviluppo della vita su un pianeta; se accadono con eccessiva frequenza, tali esplosioni catastrofiche possono sterilizzare un'intera regione di una galassia per miliardi di anni. Il bulbo galattico, ad esempio, ha subito un'ondata iniziale di formazione stellare estremamente rapida, innescando una cascata di supernove che per cinque miliardi di anni hanno lasciato quell'area quasi completamente incapace di sviluppare la vita.
Oltre alle supernove, è stato proposto che i lampi di raggi gamma, quantità eccessive di radiazioni, perturbazioni gravitazionali e vari altri eventi influenzino la distribuzione della vita all'interno della galassia. Questi eventi includono "maree galattiche" che possono provocare impatti cometari o anche di corpi freddi di materia oscura che passano attraverso gli organismi e inducono mutazioni genetiche. Tuttavia, l'impatto di molti di questi eventi può essere difficile da quantificare.
Morfologia delle galassie
Diverse caratteristiche morfologiche delle galassie possono influenzare la potenziale abitabilità planetaria. Nei bracci a spirale, ad esempio, avviene un'intensa formazione stellare, ma contengono numerose nubi molecolari giganti e l'alta densità stellare può perturbare la nube di Oort di altre stelle, mandando una grande quantità di comete e asteroidi verso pianeti potenzialmente abitabili. Inoltre, l'alta densità e il tasso di formazione di stelle massicce possono esporre le stelle in orbita all'interno dei bracci a spirale per lungo tempo a frequenti esplosioni di supernova, riducendo le loro prospettive di sviluppo della vita. Considerando questi fattori, il Sole è vantaggiosamente posizionato all'interno della galassia perché, oltre ad essere all'esterno di un braccio a spirale, orbita vicino al cerchio di corotazione, massimizzando l'intervallo tra gli incroci del braccio a spirale.
I bracci a spirale hanno anche la capacità di causare cambiamenti climatici su un pianeta. Passando attraverso le dense nubi molecolari dei bracci della spirale galattica, i venti stellari possono essere respinti al punto che uno strato riflettente di idrogeno si accumula nell'atmosfera di un pianeta, provocando forse scenari come quello della Terra a palla di neve.
Anche le barre delle galassie spirali barrate possono influenzare le dimensioni della zona galattica abitabile. Si pensa che le barre galattiche crescano nel tempo, raggiungendo alla fine il raggio di corotazione della galassia, perturbando le orbite delle stelle già presenti. Stelle ad alta metallicità come il nostro Sole, ad esempio, sono in una posizione intermedia tra l'alone galattico a bassa metallicità e il centro galattico ad alta radiazione, e possono essere sparse in tutta la galassia, influenzando la definizione della zona galattica abitabile. È stato suggerito che per questo motivo potrebbe essere impossibile definire correttamente una zona galattica abitabile.
Confini Le prime ricerche sulla zona galattica abitabile, compreso il documento del 2001 di Gonzalez, Brownlee e Ward, non delimitavano alcun confine specifico, affermando semplicemente che la zona era un anello che comprendeva una regione della galassia che era ricca di metalli ma che veniva risparmiata dalle radiazioni eccessive del centro galattico, e tale abitabilità era più probabile nel disco sottile della galassia. Tuttavia, ricerche successive condotte nel 2004 da Lineweaver e colleghi hanno suggerito dei confini di questo anello, che nel caso della Via Lattea vanno da 7 a 9 kpc dal centro galattico.
Il team di Lineweaver ha anche analizzato l'evoluzione della zona galattica abitabile rispetto al tempo, scoprendo ad esempio che le stelle vicine al bulbo galattico dovevano formarsi entro una finestra temporale di circa due miliardi di anni per avere pianeti abitabili. Prima di quella finestra, le stelle del bulge non avrebbero potuto avere pianeti adatti alla vita, per via delle frequenti esplosioni di supernove. Tuttavia, dopo che la minaccia delle supernove si era placata, la crescente metallicità del nucleo galattico avrebbe fatto sì che le stelle avrebbero avuto al seguito un numero elevato di pianeti giganti, in grado di destabilizzare i sistemi stellari e alterare radicalmente l'orbita di qualsiasi pianeta situato nella zona abitabile circumstellare di una stella. Tuttavia, le simulazioni condotte nel 2005 presso l'Università di Washington mostrano che anche in presenza di gioviani caldi, i pianeti terrestri possono rimanere stabili per lunghi periodi di tempo.