Molecole organiche nelle Atmosfere Esoplanetarie: Metodi, Strumenti e Prospettive Astrobiologiche

The thesis examines the origin and detectability of organic molecules in exoplanetary atmospheres, with particular attention to the astrobiological implications and to the observational limits imposed by current technologies. To provide a comprehensive overview, it describes the formation of organic molecules in different environments, from the synthesis of COMs (complex organic molecules) to prebiotic chemistry. By introducing the types of planetary atmospheres and the principles of spectroscopy, it highlights the critical aspects involved in interpreting the spectral signatures of such molecules, represented by lines and bands whose shape varies depending on observational conditions. The central part revolves around the spectroscopic identification of molecules (not only organic ones), emphasizing the importance of spectral databases (such as HITRAN and ExoMol) and the difficulties associated with modelling atmospheric spectra that include polyatomic species. The thesis then examines the physical and chemical criteria for selecting potential biosignatures and analyzes in detail the related biological, computational, and observational limitations. Finally, it discusses future prospects for this field of research that brings together astrophysics, chemistry, and biology. Telescopes such as JWST, Ariel, E-ELT, and ultimately HWO will significantly expand the ability to detect organic molecules in exoplanetary atmospheres. Thanks to improved spectroscopic sensitivity and broader statistical coverage they will allow the presence of such molecules to be accurately analyzed in the context of the planetary environments in which they are detected.

La tesi analizza l’origine e la rilevabilità delle molecole organiche nelle atmosfere esoplanetarie, ponendo particolare attenzione alle implicazioni astrobiologiche e ai limiti osservativi imposti dalle tecnologie attuali. Per avere un quadro completo viene descritta la formazione delle molecole organiche in diversi ambienti, dalla sintesi delle COMs (molecole organiche complesse) fino alla chimica prebiotica. Introducendo le tipologie di atmosfere planetarie e i principi fondamentali della spettroscopia, vengono esposti i punti critici dell’interpretazione delle firme spettrali di tali molecole, rappresentate da linee e bande la cui riconoscibilità varia a seconda delle condizioni osservative. La parte centrale è infatti dedicata all’identificazione spettroscopica delle molecole (non solo organiche) sottolineando l’importanza assunta dalle banche dati spettrali (come HITRAN ed ExoMol) e le difficoltà relative alla modellizzazione di spettri atmosferici in cui sono presenti molecole poliatomiche. La tesi esamina quindi i criteri fisici e chimici per la selezione di potenziali biofirme e analizza in dettaglio i relativi limiti biologici, computazionali e osservativi. Infine, vengono discusse le prospettive future per questo ambito di ricerca che unisce astrofisica, chimica e biologia. I telescopi JWST, Ariel, E-ELT e infine HWO, attraverso un miglioramento della sensibilità spettroscopica e una maggiore copertura statistica, amplieranno in modo sostanziale le possibilità di rilevazione di molecole organiche nelle atmosfere extrasolari e permetteranno di analizzarne accuratamente la presenza contestualmente all’ambiente planetario in cui vengono rilevate.