Credits: L. Hustak and J. Olmsted (STScI)

Intorduzione

Quando il James Webb Space Telescope della NASA verrà lanciato nel 2021, uno dei suoi contributi più attesi dall’astronomia sarà lo studio degli esopianeti: pianeti che orbitano attorno a stelle lontane. Tra le domande più diffuse nella scienza degli esopianeti vi è: un piccolo esopianeta roccioso, in orbita vicino a una stella nana rossa, può trattenere un‘atmosfera?

In una serie di quattro articoli su Astrophysical Journal, un team di astronomi propone un nuovo metodo di utilizzo di Webb per determinare se un esopianeta roccioso ha un’atmosfera. 

Un tecnica più veloce

La tecnica, che prevede la misurazione della temperatura del pianeta quando passa dietro la sua stella per poi ricomparire, è significativamente più veloce rispetto ai metodi tradizionali di rilevazione atmosferica come la spettroscopia di trasmissione.

Scopriamo che Webb potrebbe facilmente dedurre la presenza o l’assenza di un’atmosfera intorno a una dozzina di esopianeti rocciosi conosciuti con meno di 10 ore di tempo di osservazione per pianeta“, ha affermato uno dei coautori Jacob Bean dell’Università di Chicago.

Gli astronomi sono particolarmente interessati agli esopianeti che orbitano attorno a stelle nane rosse per una serie di ragioni. Queste stelle, che sono più piccole e più fredde del Sole, sono il tipo più comune di stella nella nostra galassia. Inoltre, poiché una nana rossa è piccola, un pianeta che gli passa di fronte bloccherebbe una frazione maggiore di luce della stella rispetto a se questa fosse più grande. Questo rende il pianeta in orbita attorno a una nana rossa più facile da rilevare attraverso la tecnica del “transito.

Le nane rosse producono anche molto meno calore del nostro sole, quindi, per godere di temperature abitabili un pianeta dovrebbe orbitare abbastanza vicino ad una stella di questo tipo. In effetti, per trovarsi nella zona abitabile – l’area intorno alla stella dove potrebbe esistere sulla superficie di un pianeta acqua liquida – il pianeta deve orbitare molto più vicino alla stella di quanto, ad esempio, lo sia Mercurio rispetto al Sole. Di conseguenza, la stella transiterà più frequentemente, rendendo più facili le osservazioni.

Ma un pianeta in orbita così vicino a una nana rossa è soggetto a condizioni difficili dal momento che questo sono molto attive. Infatti, su di esse si verificano enromi eruzioni plasmatiche oltre ad emette anche un forte vento di particelle cariche. Tutti questi effetti potrebbero potenzialmente spazzare via l‘atmosfera di un pianeta, lasciandosi dietro una roccia nuda. “La perdita di atmosfera è la minaccia esistenziale numero uno per l’abitabilità dei pianeti“, ha detto Bean.

La ricerca di atmosfera

Una caratteristica fondamentale di cui godono questi tipi di pianeti in orbita attorno alle nane rosse, è che sono bloccati nel senso che hanno un lato diurno ed uno notturno; un lato sempre esposto alla luce della stella e l’altro semper al buio. Questa caratteristicha permette di osservare il pianeta durante le due fasi, in particolare è possibile apprezzare la c.d. eclissi secondaria ossia quando il pianeta gira dietro la stella. In quella occasione, quando sta per nascondersi dietro la stella o riuscire dalla eclissi secondaria è possibile osservare il lato diurno e quindi lo studio della sua atmosfera.

Se un esopianeta roccioso manca di atmosfera, la sua facciata sarebbe molto calda, proprio come vediamo con la Luna o Mercurio. Tuttavia, se un esopianeta roccioso ha un’atmosfera, la presenza di quell’atmosfera dovrebbe abbassare la temperatura esterna misurata da Webb. Potrebbe farlo in due modi:

  •  un’atmosfera densa potrebbe trasportare il calore dal lato giorno al lato notte attraverso i venti. 
  • un’atmosfera più sottile potrebbe ancora ospitare nuvole, che riflettono una parte della luce stellare in arrivo, abbassando così la temperatura del lato giorno del pianeta.

Ogni volta che aggiungerai un’atmosfera, abbasserai la temperatura del lato giorno. Quindi se vediamo qualcosa di più freddo della roccia nuda, ne deduciamo che è probabilmente un segno di atmosfera“, ha spiegato Daniel Koll del Massachusetts Institute of Technology (MIT), autore principale di due articoli.

Il potenziale di WEBB

Webb è ideale per effettuare queste misurazioni perché ha uno specchio molto più grande di altri telescopi (come i telescopi spaziali Hubble o Spitzer della NASA) che gli consentono di raccogliere più luce e può puntare alle lunghezze d’onda infrarosse appropriate.

I calcoli del team mostrano che Webb dovrebbe essere in grado di rilevare la firma del calore dell’atmosfera di un pianeta in una o due eclissi secondarie, solo con poche ore di tempo di osservazione. Al contrario, il rilevamento di un’atmosfera attraverso osservazioni spettroscopiche richiederebbe in genere otto o più transiti per questi stessi pianeti.

La spettroscopia di trasmissione, che studia la luce delle stelle filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta, soffre anche di interferenze dovute a nuvole, che possono mascherare le firme molecolari dell’atmosfera. In tal caso il diagramma spettrale, anziché mostrare linee di assorbimento pronunciate dovute alle molecole, sarebbe essenzialmente piatto.

Nella spettroscopia di trasmissione, se ottieni una linea piatta, non ti dice nulla. La linea piatta potrebbe significare che l’universo è pieno di pianeti morti che non hanno atmosfera, o che l’universo è pieno di pianeti che hanno tutta una serie di atmosfere diverse e interessanti, ma ci sembrano tutte uguali perché sono torbide “, ha affermato Eliza Kempton dell’Università del Maryland, coautrice di tre articoli. “Le atmosfere di esopianeti senza nuvole o altri pericoli sono come unicorni: non le abbiamo ancora viste e potrebbero non esistere affatto“, ha aggiunto.

Il team ha sottolineato che una temperatura esterna più fredda del previsto sarebbe un indizio importante, ma non confermerebbe assolutamente l’esistenza di un’atmosfera. Eventuali dubbi rimanenti sulla presenza di un’atmosfera possono essere esclusi con studi di follow-up che utilizzano altri metodi come la spettroscopia di trasmissione.

Individuare più esopianeti

La vera forza della nuova tecnica sarà nel determinare quale frazione di esopianeti rocciosi abbia probabilmente un’atmosfera. Circa una dozzina di esopianeti che sono buoni candidati per questo metodo sono stati rilevati nell’ultimo anno. È probabile che ne troveremo altri prima che Webb sia operativo.

The Transiting Exoplanet Survey Satellite – TESS – sta trovando pile di questi pianeti“, ha dichiarato Kempton.

Il metodo dell’eclissi secondaria ha una limitazione chiave: funziona meglio sui pianeti che sono troppo caldi per essere localizzati nella zona abitabile. Tuttavia, determinare se questi pianeti caldi ospitano atmosfere ha importanti implicazioni per i pianeti delle zone abitabili.

Il James Webb Space Telescope sarà il primo osservatorio mondiale di scienze spaziali quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre i mondi lontani attorno ad altre stelle e sonderà le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto al suo interno. Webb è un progetto internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, l’ESA (Agenzia spaziale europea) e l’Agenzia spaziale canadese.

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