Con la chimica studiamo la storia degli esopianeti

Schema di formazione di un pianeta gigante in un disco protoplanetario attorno a una stella. Il pianeta migra nel disco e accresce gas e solidi di diversa composizione chimica. Quest’ultima è influenzata dalla presenza delle snowline, regioni del disco in cui la temperatura è tale da causare la condensazione su grani di polvere di specifiche specie molecolari, rimuovendole dalla fase gassosa. Nello schema vengono indicate le snowline dell’acqua e del monossido di carbonio ma in un disco protoplanetario ne esistono molte di più. Il materiale accresciuto andrà a costituire l’atmosfera planetaria che telescopi come Ariel permetteranno di osservare e che sarà il punto di partenza per ricostruire la storia di formazione dei pianeti giganti. Crediti: Elenia Pacetti (Sapienza/Inaf)

Usare la chimica per studiare la storia: non è un concetto assurdo se la storia è quella degli esopianeti e se la chimica è quella delle loro atmosfere. E si parte da elementi che conosciamo e con i quali abbiamo a che fare tutti i giorni anche sulla Terra: carbonio, ossigeno, azoto e zolfo, e le loro combinazioni. Questo è l’argomento al centro di uno studio pubblicato oggi sulla rivista The Astrophysical Journal a firma di Elenia Pacetti, giovane dottoranda presso la Sapienza per l’Inaf di Roma.

Il team di ricercatori guidato da Pacetti è stato il primo a combinare elementi ultravolatili, volatili e refrattari nelle atmosfere dei pianeti giganti per sviluppare un metodo unificato utile per capire come e dove questi pianeti si sono formati. «Siamo i primi a fornire linee guida universali per legare le abbondanze di elementi nelle atmosfere dei pianeti giganti alla loro storia di formazione, risolvendo le degenerazioni intrinseche nei metodi precedenti. In questo lavoro, inoltre, sveliamo per la prima volta quali rapporti di abbondanza sono influenzati dalla struttura chimica del disco protoplanetario e quali no, in modo da utilizzare le caratteristiche dei pianeti per ricavare anche informazioni sull’ambiente in cui avviene la formazione planetaria», spiega a Media Inaf la prima autrice.

Il luogo di nascita dei pianeti si chiama disco protoplanetario, che altro non è che un disco fatto di gas e polvere stellare. Durante la loro formazione, i pianeti giganti interagiscono con ambienti chimicamente diversi nei dischi protoplanetari: i pianeti catturano gas e detriti solidi di composizione chimica eterogenea che formeranno l’atmosfera planetaria finale. «È ragionevole, quindi, pensare che la composizione chimica delle atmosfere che osserviamo oggi conservi memoria del processo che le ha portate a formarsi e delle caratteristiche dell’ambiente in cui questo è avvenuto. In questo lavoro esploriamo l’effetto sull’atmosfera planetaria finale di diverse strutture chimiche di disco e di diverse storie di formazione e migrazione del pianeta, concentrandoci su come queste influenzano l’abbondanza di elementi come carbonio (C), ossigeno (O), azoto (N) e zolfo (S)», sottolinea la dottoranda. «Troviamo che i rapporti di abbondanza C/O, C/N, N/O e S/N sono traccianti per la formazione planetaria e che, in generale, il processo di formazione planetaria produce pianeti giganti con rapporti di abbondanza che deviano significativamente da quelli della stella centrale e dell’ambiente in cui quest’ultima e il pianeta si sono formati. Nello specifico, misurare e confrontare diversi rapporti di abbondanza si rivela essere la chiave per porre dei vincoli su parametri come la distanza iniziale a cui si è formato il pianeta, l’estensione della migrazione dalla posizione iniziale all’orbita finale, la composizione del disco protoplanetario e la natura del materiale catturato dal pianeta, sia questo gas o una miscela di gas e solidi», prosegue la ricercatrice.

L’articolo è frutto del lavoro svolto nell’ambito del progetto Erc Ecogal, guidato da Sergio Molinari dell’Inaf di Roma, in sinergia con il programma Arχes e il progetto Ams, coordinati da Diego Turrini dell’Inaf di Torino. I metodi sono stati recentemente applicati con successo all’interpretazione di dati osservativi nell’ambito del programma nazionale Gaps presso il Telescopio Nazionale Galileo in lavori diretti da altri ricercatori e associati Inaf pubblicati nei mesi scorsi. «Studi precedenti al nostro si sono concentrati soltanto sul carbonio e l’ossigeno nelle atmosfere planetarie, utilizzando il rapporto tra le loro abbondanze come possibile tracciante della storia di formazione dei pianeti giganti. Il nostro lavoro mostra come l’inclusione di azoto e zolfo nel set di elementi chimici presi in esame permetta di espandere il set di traccianti permettendo di rompere le degenerazioni lasciate irrisolte e ampliando notevolmente il potere predittivo della composizione atmosferica relativamente alla storia di formazione planetaria», continua.

Elenia Pacetti, dottoranda presso la Sapienza e membro del gruppo Inaf di Roma

La formazione dei pianeti giganti gioca un ruolo fondamentale nel definire l’architettura del sistema planetario di cui fanno parte, influenzando anche la formazione dei pianeti terrestri e la loro abitabilità. Essere in grado di ricostruirla a partire da osservazioni di uno dei suoi prodotti finali, l’atmosfera planetaria, permette ai ricercatori di fare luce sull’origine dei sistemi esoplanetari che osserviamo oggi ma anche del Sistema solare, fornendo delle prime indicazioni su quanto sia probabile trovarne di simili, con pianeti abitabili simili alla Terra. Lo studio della chimica planetaria è ormai il fulcro attorno a cui ruotano molte delle missioni spaziali attualmente in corso o future. Tutti noi vogliamo sapere cosa c’è al di là del Sistema solare, principalmente la domanda è: c’è vita? E andare a caccia di vita vuol dire studiare proprio gli elementi chimici che popolano le atmosfere degli esopianeti lontani.

Significativi passi in avanti nel campo sono attesi dall’analisi dei dati, ormai in dirittura di arrivo, del telescopio spaziale James Webb. E aspettative ancora più alte sono riposte nella missione spaziale protagonista del prossimo decennio, Ariel (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey), il cui lancio è fissato nel 2029. Ariel sarà il primo telescopio spaziale interamente dedicato alla caratterizzazione spettroscopica delle atmosfere esoplanetarie ed è proprio nell’ambito di questa missione che si è sviluppato il lavoro pubblicato su ApJ. «Nel nostro gruppo ci siamo chiesti se sia possibile, e in che misura, utilizzare le osservazioni chimiche delle atmosfere dei pianeti giganti per risalire alla loro storia di formazione. Dalle caratteristiche chimiche dell’atmosfera planetaria, è possibile capire a che distanza dalla stella il pianeta si è formato e quanto ha migrato nel disco protoplanetario prima di raggiungere la sua orbita finale? Possiamo dire qualcosa sulle caratteristiche chimiche del disco all’interno del quale il pianeta si è formato? Quali sono i traccianti chimici che contengono queste informazioni? Come possiamo utilizzarli in modo da estrarre quante più informazioni possibile? Rispondere a domande di questo tipo è di fondamentale importanza per poter definire un metodo per studiare la formazione planetaria a partire dalla composizione delle atmosfere planetarie che osserviamo oggi e, quindi, sfruttare appieno il potenziale dei dati di Jwst e Ariel», dice Pacetti.

L’Italia, con il sostegno dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), esprime due co-principal investigators nella missione Ariel, Giusi Micela dell’Inaf di Palermo e Pino Malaguti dell’Inaf di Bologna, supportati da un team che include numerosi altri scienziati e strutture dell’Istituto nazionale di astrofisica a cui si aggiungono l’Università di Firenze, l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr di Padova e l’Università Sapienza di Roma. Micela spiega: «Ariel sarà una missione completamente dedicata all’osservazione di un migliaio di atmosfere esoplanetarie, con la possibilità quindi di esplorare condizioni fisiche molto diverse fra di loro. Il team italiano è molto impegnato nella preparazione della missione con l’identificazione delle tematiche scientifiche più promettenti e delle relative diagnostiche accessibili alla strumentazione. In questo contesto si sta studiando come risalire al luogo di nascita dei pianeti dalle osservazioni di Ariel, dato che la composizione atmosferica mantiene traccia delle condizioni in cui il pianeta si è formato ed evoluto. Il lavoro di Elenia Pacetti e dei suoi collaboratori pone una base teorica molto accurata dei meccanismi di cattura degli elementi chimici presenti nell’ambiente di formazione planetaria, e permetterà di interpretare al meglio e quindi di sfruttare al massimo le osservazioni delle atmosfere planetarie. Sarà quindi uno strumento preziosissimo per l’analisi e interpretazione dei futuri dati di Ariel».