Le osservazioni d’archivio di 25 gioviani caldi da parte del telescopio spaziale Hubble della Nasa/Esa sono state analizzate da un team internazionale di astronomi, consentendo loro di rispondere a cinque domande aperte importanti per la nostra comprensione delle atmosfere degli esopianeti. Tra le altre scoperte, il team ha capito che la presenza di ossidi metallici e idruri nelle atmosfere più calde degli esopianeti era chiaramente correlata all’inversione termica delle atmosfere. Crediti: Esa/Hubble, N. Bartmann
Da tempo chi va a caccia di esopianeti non si limita al semplice rilevamento bensì tenta la loro più audace caratterizzazione, sebbene rimanga estremamente impegnativa. La caratterizzazione degli esopianeti implica lo studio delle loro proprietà fisiche (come il raggio) e chimiche (come la composizione atmosferica) ed è fondamentale sia per comprendere meglio la formazione e l’evoluzione dei pianeti stessi, sia per determinare se processi complessi, come l’evoluzione e il sostentamento della vita, potrebbero essere possibili.
Finora, la maggior parte della ricerca sulla caratterizzazione è stata diretta verso la modellazione o su studi incentrati su pochi esopianeti. Questo nuovo lavoro, guidato dai ricercatori della University College London (Ucl), ha utilizzato la più grande mole di dati d’archivio mai esaminata in una survey sulle atmosfere dei singoli esopianeti per analizzare le atmosfere di 25 esopianeti. La maggior parte dei dati proveniva da osservazioni effettuate con il telescopio spaziale Hubble della Nasa/Esa. «Hubble ha consentito la caratterizzazione approfondita di 25 esopianeti e la quantità di informazioni che abbiamo appreso sulla loro chimica e formazione, grazie a un decennio di intense campagne di osservazione, è incredibile», racconta Quentin Changeat, primo autore dello studio.
I ricercatori hanno cercato di trovare risposte a diverse domande aperte sulle atmosfere degli esopianeti. In particolare, hanno sondato ciò che gli idruri – lo ione idruro H– è uno ione idrogeno negativo formato dalla dissociazione di molecole di idrogeno o di acqua, che avviene a temperature molto elevate (oltre 2500 Kelvin, o 2227 °C) – e alcuni metalli possono dirci sulla chimica e sulla circolazione delle atmosfere degli esopianeti e sulla loro formazione. Hanno scelto di studiare un’ampia gamma di gioviani caldi con l’intenzione di identificare le tendenze all’interno del loro campione che potrebbero fornire informazioni più generali sulle atmosfere degli esopianeti. I gioviani caldi sono una classe informale di esopianeti con orbite di breve periodo (pianeti che orbitano intorno alla loro stella in circa dieci giorni o meno) e grandi atmosfere gassose, di particolare interesse perché sono relativamente facili da rilevare e perché nel Sistema solare non ce ne sono. «Il nostro articolo segna un punto di svolta per il campo: stiamo ora passando dalla caratterizzazione delle atmosfere dei singoli esopianeti alla caratterizzazione delle popolazioni atmosferiche», afferma Billy Edwards dell’Ucl e del Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Cea).
Per studiare il loro campione di 25 esopianeti, il team ha rianalizzato 600 ore di osservazioni di Hubble, integrandole con più di 400 ore di osservazioni del telescopio spaziale Spitzer. I dati contenevano eclissi per tutti i 25 esopianeti e transiti per 17 di loro. Ricordiamo che un’eclissi si verifica quando l’esopianeta passa dietro alla sua stella, vista dalla Terra, e un transito si verifica quando il pianeta le passa davanti. I dati sulle eclissi e sui transiti possono fornire informazioni cruciali sull’atmosfera di un esopianeta.
Gli scienziati sono così stati in grado di identificare alcune chiare tendenze e correlazioni tra le composizioni atmosferiche degli esopianeti e il comportamento osservato. Alcuni dei risultati più importanti riguardano la presenza o l’assenza di inversioni termiche nelle atmosfere. Un’inversione termica è un fenomeno naturale in cui l’atmosfera di un pianeta o di un esopianeta non si raffredda costantemente con l’aumento dell’altitudine, ma passa invece dal raffreddamento al riscaldamento a un’altitudine più elevata. Si pensa che le inversioni termiche avvengano a causa della presenza di alcune specie metalliche nell’atmosfera. Ad esempio, l’atmosfera terrestre ha un’inversione termica dovuta alla presenza di ozono. Hanno scoperto che quasi tutti gli esopianeti che presentavano inversioni termiche nella loro atmosfera sono estremamente caldi, con temperature superiori a 2000 Kelvin. Queste temperature sono sufficientemente elevate da permettere alle specie metalliche TiO (ossido di titanio), VO (ossido di vanadio) e FeH (idruro di ferro) di essere stabili. Negli esopianeti che mostrano inversioni termiche, è stato scoperto che quasi tutti avevano H–, TiO, VO o FeH nelle loro atmosfere.
È sempre difficile trarre inferenze da tali risultati, perché la correlazione non necessariamente implica causalità. Tuttavia, il team è stato in grado di proporre una spiegazione convincente sul motivo per cui la presenza di H–, TiO, VO o FeH potrebbe portare a un’inversione termica, ossia che tutte queste specie metalliche sono assorbitori di luce stellare molto efficienti. Potrebbe essere che le atmosfere abbastanza calde da sostenere queste specie tendano a presentare un’inversione termica perché assorbono così tanta luce stellare che le loro atmosfere superiori si riscaldano ancora di più. Inoltre, il team ha anche scoperto che i gioviani caldi più freddi (con temperature inferiori a 2000 Kelvin, e quindi senza H–, TiO, VO o FeH nelle loro atmosfere) non presentano quasi mai inversioni termiche in atmosfera.
Un aspetto significativo di questa ricerca è che il team è stato in grado di utilizzare un ampio campione di esopianeti e una quantità estremamente grande di dati per determinare le tendenze, che possono essere utilizzate per prevedere il comportamento in altri esopianeti. Questo è estremamente utile, perché fornisce informazioni su come possono formarsi i pianeti e anche perché consente ad altri astronomi di pianificare in modo più efficace le osservazioni future. Una migliore comprensione delle popolazioni di esopianeti potrebbe anche avvicinarci alla risoluzione di misteri aperti sul Sistema solare. «Molte questioni come l’origine dell’acqua sulla Terra, la formazione della Luna e le diverse storie evolutive della Terra e di Marte, sono ancora irrisolte nonostante la nostra capacità di ottenere misurazioni in situ. Studi estesi sulla popolazione di esopianeti, come quello che presentiamo qui, mirano a comprendere i processi generali», conclude Changeat.
Per saperne di più:
- Leggi su Astrophysical Journal Supplement Series l’articolo “Five Key Exoplanet Questions Answered via the Analysis of 25 Hot-Jupiter Atmospheres in Eclipse” di Q. Changeat, B. Edwards, A. F. Al-Refaie, A. Tsiaras, J. W. Skinner, J. Y. K. Cho, K. H. Yip, L. Anisman, M. Ikoma, M. F. Bieger, O. Venot, S. Shibata, I. P. Waldmann, and G. Tinetti
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