Rappresentazione artistica di un hot Jupiter (Giove caldo), mentre sta per iniziare il transito davanti al disco della propria stella permettendo così di analizzare la composizione chimica della propria atmosfera. Crediti: Amanda Smith
La branca dell’astronomia che si occupa dello studio dei pianeti extrasolari, ossia di pianeti che si trovano in orbita attorno a stelle diverse dal nostro Sole, è nata il 6 ottobre del 1995, quando Michel Mayor e Didier Queloz (entrambi Nobel per la fisica 2019) pubblicarono sulla rivista scientifica Nature un articolo, poi divenuto celebre, che annunciava la scoperta di un hot Jupiter (gioviano caldo) in orbita attorno alla stella di tipo solare 51 Pegasi, a soli 50 anni luce da noi. Da allora sono stati scoperti tantissimi esopianeti, la maggior parte entro poche migliaia di anni luce dal Sole. Al momento sono noti 4149 pianeti extrasolari, che formano ben 3082 sistemi planetari, e siamo solo agli inizi di questa grande avventura.
Visti i numeri in gioco, siamo entrati nell’era degli studi comparativi della popolazione di esopianeti, e una delle chiavi per capire come si siano formati ed evoluti è l’analisi della composizione chimica delle atmosfere. La stragrande maggioranza degli esopianeti sono stati scoperti usando tecniche indirette, come il metodo delle velocità radiali o il metodo del transito. Quest’ultima tecnica in particolare è molto potente perché, analizzando la luce della stella che filtra attraverso l’atmosfera del pianeta, permette di determinarne la composizione chimica. Non sono misure facili: la luce che filtra attraverso l’atmosfera di un pianeta è sempre molto poca rispetto a quella emessa dalla stella, ma l’analisi delle bande di assorbimento più intense, dovute agli elementi o alle molecole esoplanetarie, è possibile anche con gli strumenti attuali. Per contro c’è un effetto di selezione: se il pianeta viene visto transitare sul disco della propria stella deve essere sufficientemente vicino (altrimenti il transito non avviene), quindi è mediamente più caldo degli eventuali esopianeti più distanti dalla stella.
Un team di ricercatori guidato da Luis Welbanks dell’università di Cambridge ha utilizzato i dati atmosferici disponibili su 19 esopianeti per ottenere informazioni dettagliate sulle loro proprietà chimiche e termiche. Gli esopianeti considerati nello studio abbracciano una vasta gamma di dimensioni e temperature: si va dai mini-Nettuno con quasi 10 masse terrestri ai super-Giove di oltre 600 masse terrestri, mentre il range di temperatura va da circa 20 °C a oltre 2400 °C. Si tratta di atmosfere calde, se paragonate alle temperature tipiche dei pianeti giganti del nostro Sistema solare, che vanno dai -120 °C di Giove ai -220 °C di Nettuno. Trattandosi di esopianeti piuttosto massicci, le loro atmosfere sono ricche d’idrogeno, come nel caso dei nostri giganti gassosi, ma orbitano attorno a stelle di tipo spettrale diverso da quello del Sole.
Per il loro lavoro di analisi, i ricercatori hanno utilizzato i dati spettroscopici raccolti nel range 0,3-5,0 micron sia da strumenti nello spazio sia al suolo, tra cui i telescopi spaziali Hubble e Spitzer, il Very Large Telescope in Cile e il Gran Telescopio Canarias in Spagna. I risultati, che fanno parte di un programma di ricerca quinquennale sulle composizioni chimiche delle atmosfere degli extrasolari, sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters, in un articolo dal titolo un po’ criptico: “Mass–Metallicity Trends in Transiting Exoplanets from Atmospheric Abundances of H2O, Na, and K“.
L’atmosfera di un pianeta assorbe specifiche lunghezze d’onda della luce della stella che ne rivelano la composizione chimica dell’atmosfera (cliccare per ingrandire). Crediti: Eso
Vediamo di che cosa si tratta. Va premesso che in astrofisica sono chiamati “metalli” tutti gli elementi chimici che non siano l’idrogeno e l’elio. I ricercatori guidati da Welbanks hanno determinato l’abbondanza di vapore acqueo (H2O) in 14 dei 19 pianeti caldi considerati e l’abbondanza di sodio (Na) e potassio (K) in sei. Le abbondanze sono state determinate rispetto all’idrogeno, esprimendole con i rapporti H2O/H, Na/H e K/H. Così facendo il team ha scoperto che, mentre il vapore acqueo è comune nelle atmosfere di molti esopianeti, la sua abbondanza aumenta al diminuire della massa del pianeta: le atmosfere più ricche di vapore acqueo sono quindi quelle dei pianeti di classe Nettuno e mini-Nettuno. I pianeti di massa superiore hanno meno vapor acqueo. In ogni caso, le abbondanze di vapore acqueo sono inferiori alle aspettative, mentre le quantità di potassio e sodio sono coerenti con quanto atteso in base alle abbondanze nel Sistema solare. Già in studi precedenti era stata trovata una quantità di vapore acqueo inferiore alle attese ma non era chiaro se questa carenza fosse dovuta a una bassa metallicità generale o a una carenza specifica di ossigeno. L’analisi comparativa di vapore acqueo, potassio e sodio ci dice che manca proprio l’ossigeno, mentre le abbondanze degli altri metalli (almeno quelli misurati), sono normali.
La relazione massa-metallicità per i pianeti extrasolari, più la massa è piccola più la metallicità è elevata. Le abbondanze di H2O/H, Na/H e K/H sono mostrate rispettivamente in blu, giallo e arancione. Tutte le abbondanze sono normalizzate in base alla metallicità della stella attorno cui orbita il pianeta. Per le stime di metallicità dei pianeti giganti del Sistema Solare sono state usate le abbondanze del metano (CH4), mostrate in color salmone. Crediti: Welbanks et al., ApJL, 887, L2, 2019
Nelle atmosfere dei pianeti giganti del Sistema solare i rapporti fra le abbondanze di carbonio, azoto, zolfo e fosforo con l’idrogeno sono superiori a quello che si trova nel Sole. Si pensa che questi eccessi siano nati nel processo di accrezione planetaria, quando grandi quantità di ghiaccio, rocce e altre particelle solide andarono ad accrescere la massa dei pianeti in formazione. In base a questo scenario si prevedeva che anche l’abbondanza di altri elementi pesanti fosse altrettanto elevata, in particolare l’ossigeno, che è l’elemento più abbondante nell’universo dopo l’idrogeno e l’elio. Considerato che la molecola dell’acqua contiene un atomo d’ossigeno e due d’idrogeno, era logico attendersi che anche quest’ultima fosse abbondante nelle esoatmosfere. I risultati invece suggeriscono un impoverimento dell’ossigeno rispetto agli altri metalli e forniscono interessanti indizi su come questi esopianeti giganti caldi possano essersi formati: probabilmente senza una sostanziale accrezione da parte del ghiaccio d’acqua, altrimenti il vapore acqueo sarebbe stato presente in misura maggiore. Tuttavia, secondo il paradigma corrente, i pianeti tipo hot Jupiter si formano a grande distanza dalla loro stella, oltre la linea della neve, e solo in un tempo successivo si spostano su orbite molto più strette, un processo noto come “migrazione planetaria“. Quindi nel loro processo di accrezione il ghiaccio d’acqua dovrebbe essere abbondante e il vapore acqueo nelle loro atmosfere pure.
Ma quanto vale il rapporto O/H nel caso dei nostri pianeti giganti – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – che si sono formati ed evoluti a grande distanza dal Sole? In realtà non lo sappiamo. I diversi tentativi fatti per misurare l’abbondanza del vapore acqueo nell’atmosfera di Giove, anche da parte della missione Juno della Nasa, non hanno dato risultati. Purtroppo Giove è molto lontano dal Sole, quindi la sua atmosfera è fredda e qualsiasi vapore acqueo eventualmente presente è condensato, rendendo difficile rilevarne la presenza. Se l’abbondanza di acqua nell’atmosfera di Giove fosse come previsto in base al rapporto C/H, ciò implicherebbe che si è formato in un modo significativamente diverso rispetto agli esopianeti caldi che sono stati esaminati da Welbanks e colleghi.
Questo studio dovrà essere esteso a un maggior numero di esopianeti, alla ricerca di ulteriori anomalie chimiche: è dalla comparazione fra mondi diversi che si capisce quali processi siano importanti nella formazione planetaria e quali no. In ogni caso, questi risultati mostrano che i diversi elementi chimici non possono più essere considerati ugualmente abbondanti nelle atmosfere planetarie, come invece viene assunto nei modelli teorici. Nuove sfide attendono la teoria sulla genesi ed evoluzione dei sistemi planetari.
Per saperne di più:
Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Mass–Metallicity Trends in Transiting Exoplanets from Atmospheric Abundances of H2O, Na, and K“, di Luis Welbanks, Nikku Madhusudhan, Nicole F. Allard, Ivan Hubeny, Fernand Spiegelman e Thierry Leininger