Rappresentazione artistica di come potrebbe apparire l’esopianeta 55 Cancri e in base alle osservazioni del telescopio spaziale James Webb e di altri osservatori. Le osservazioni di NirCam e Miri suggeriscono che il pianeta potrebbe essere circondato da un’atmosfera ricca di anidride carbonica o monossido di carbonio. I ricercatori ritengono che i gas che compongono l’atmosfera potrebbero essere fuoriusciti da un oceano di magma che si pensa ricopra la superficie del pianeta. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Ralf Crawford (StScI)
L’esopianeta 55 Cancri-e, noto anche come Janssen, è uno dei cinque pianeti conosciuti che orbitano attorno alla stella 55 Cancri, simile al Sole, nella costellazione del Cancro. Con un diametro quasi doppio rispetto a quello della Terra e una densità leggermente superiore, il pianeta è classificato come super-Terra: più grande della Terra, più piccolo di Nettuno e probabilmente simile per composizione ai pianeti rocciosi del Sistema solare.
Tuttavia, descrivere 55 Cancri-e come “roccioso” potrebbe dare un’impressione sbagliata. Il pianeta orbita così vicino alla sua stella – circa 1,4 milioni di chilometri, ovvero un venticinquesimo della distanza tra Mercurio e il Sole – che la sua superficie è probabilmente fusa: un oceano ribollente di magma. Con un’orbita così stretta, è probabile che il pianeta sia anche in una condizione di risonanza spin-orbita, con un lato sempre rivolto verso la stella e l’altro in una perenne oscurità.
Nonostante le numerose osservazioni effettuate da quando è stato scoperto con il metodo dei transiti, nel 2004, la domanda se 55 Cancri-e abbia o meno un’atmosfera – o se possa averne una, data la sua elevata temperatura e il continuo bombardamento di radiazioni dalla sua stella – è rimasta senza risposta. A differenza delle atmosfere dei pianeti giganti gassosi, che sono relativamente facili da individuare (la prima è stata rilevata dal telescopio spaziale Hubble della Nasa più di due decenni fa), le atmosfere più sottili e dense che circondano i pianeti rocciosi sono sfuggenti.
Studi precedenti su 55 Cancri-e, effettuati utilizzando i dati del telescopio spaziale Spitzer della Nasa, ormai in pensione, hanno suggerito la presenza di un’atmosfera ricca di molecole volatili (ossia molecole presenti in forma gassosa sulla Terra) come ossigeno, azoto e anidride carbonica. Ma i ricercatori non hanno potuto escludere un’altra possibilità, ossia che il pianeta sia in realtà spoglio, salvo un tenue velo di roccia vaporizzata, ricca di elementi come silicio, ferro, alluminio e calcio.
Una curva di luce da 7,5 a 11,8 micron catturata dallo strumento Miri del James Webb Space Telescope nel marzo 2023 mostra la diminuzione della luminosità del sistema 55 Cancri quando il pianeta roccioso 55 Cancri e si sposta dietro la stella, un fenomeno noto come eclissi secondaria. La quantità di luce nel medio infrarosso emessa dal pianeta (la differenza di luminosità tra la stella e il pianeta insieme e la stella da sola) indica che la temperatura del lato giorno del pianeta è di circa 1540 gradi Celsius. Questa temperatura, bassa se paragonata a quella di un pianeta simile privo di atmosfera, indica che il calore viene distribuito dal lato giorno al lato notte del pianeta, forse da un’atmosfera ricca di molecole volatili. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Joseph Olmsted (StScI), Aaron Bello-Arufe (Jpl)
Per distinguere tra le due possibilità, il team ha utilizzato la NirCam (Near-Infrared Camera) e il Miri (Mid-Infrared Instrument) di Webb per misurare la luce infrarossa da 4 a 12 micron proveniente dal pianeta. Sebbene Webb non possa catturare un’immagine diretta di 55 Cancri-e, è in grado di misurare i sottili cambiamenti di luce del sistema mentre il pianeta orbita intorno alla stella.
Sottraendo la luminosità durante l’eclissi secondaria, ossia quando il pianeta si trova dietro la stella (solo luce stellare), dalla luminosità quando il pianeta si trova proprio accanto alla stella (luce della stella e del pianeta combinate), il team è stato in grado di calcolare la quantità di luce infrarossa proveniente dal lato illuminato a giorno del pianeta, a varie lunghezze d’onda. Questo metodo, noto come spettroscopia secondaria dell’eclissi, è simile a quello utilizzato da altri team di ricerca per cercare atmosfere su altri esopianeti rocciosi, come Trappist-1 b.
La prima indicazione che 55 Cancri-e potrebbe avere un’atmosfera è venuta dalle misurazioni della temperatura basate sulla sua emissione termica, irradiata sotto forma di luce infrarossa. Se il pianeta fosse ricoperto da roccia fusa scura con un sottile velo di roccia vaporizzata o se non avesse alcuna atmosfera, il lato giorno dovrebbe essere intorno ai 2200 gradi Celsius. «Invece, i dati di Miri hanno mostrato una temperatura relativamente bassa, di circa 1540 gradi Celsius», riporta Renyu Hu del Jet Propulsion Laboratory (Jpl) della Nasa, autore principale dello studio pubblicato ieri su Nature. «Questa è un’indicazione molto forte del fatto che l’energia viene distribuita dal lato giorno al lato notte, molto probabilmente da un’atmosfera ricca di sostanze volatili». Sebbene le correnti di lava possano trasportare un po’ di calore verso il lato notturno, non possono spostarlo in modo abbastanza efficiente da spiegare il raffreddamento.
Quando il team ha esaminato i dati della NirCam, ha riscontrato che erano coerenti con i modelli con un’atmosfera ricca di sostanze volatili. «Vediamo l’evidenza di un calo nello spettro tra i 4 e i 5 micron: meno luce raggiunge il telescopio», spiega il coautore Aaron Bello-Arufe, del Jpl. «Questo suggerisce la presenza di un’atmosfera contenente monossido di carbonio o anidride carbonica, che assorbono queste lunghezze d’onda della luce». Un pianeta senza atmosfera o con un’atmosfera composta solo da rocce vaporizzate non avrebbe questa specifica caratteristica spettrale.
Lo spettro di emissione termica dell’esopianeta 55 Cancri e, catturato da NirCam e Miri del James Webb Space Telescope, mostra che il pianeta potrebbe essere circondato da un’atmosfera ricca di anidride carbonica o monossido di carbonio e altri molecole volatili, non solo roccia vaporizzata. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Joseph Olmsted (StScI), Renyu Hu (Jpl), Aaron Bello-Arufe (Jpl), Michael Zhang (University of Chicago), Mantas Zilinskas (Sron Netherlands Institute for Space Research)
Il team ritiene che i gas che ricoprono 55 Cancri-e siano fuoriusciti dall’interno, piuttosto che essere presenti fin dalla formazione del pianeta. «L’atmosfera primordiale sarebbe scomparsa da tempo a causa dell’alta temperatura e delle intense radiazioni della stella», dice Bello-Arufe. «Si tratterebbe di un’atmosfera secondaria che viene continuamente rifornita dall’oceano di magma. Il magma non è solo cristalli e roccia liquida, ma contiene anche molti gas disciolti».
Anche se 55 Cancri-e è troppo caldo per essere abitabile, i ricercatori pensano che potrebbe fornire una finestra unica per studiare le interazioni tra le atmosfere, le superfici e gli interni dei pianeti rocciosi, e forse fornire intuizioni sulle prime condizioni della Terra, di Venere e di Marte, che si pensa siano stati ricoperti da oceani di magma molto tempo fa. «In definitiva, vogliamo capire quali siano le condizioni che permettono a un pianeta roccioso di sostenere un’atmosfera ricca di gas: un ingrediente fondamentale per un pianeta abitabile», conclude Hu. Intanto, le osservazioni su questo esopianeta stanno continuando.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “A secondary atmosphere on the rocky Exoplanet 55 Cancri e” di Renyu Hu, Aaron Bello-Arufe, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christiaan van Buchem, Michael Bess, Jayshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Scheucher, Apurva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandeker & Brice-Olivier Demory