Questo concetto artistico mostra come potrebbe apparire l’esopianeta gigante gassoso WASP-43 b. WASP-43 b è un pianeta delle dimensioni di Giove che gira intorno a una stella distante circa 280 anni luce, nella costellazione di Sextans. Il pianeta orbita a una distanza di circa 1,3 milioni di miglia (0,014 unità astronomiche, o UA), completando un circuito in circa 19,5 ore. Data la vicinanza alla sua stella, WASP-43 b è probabilmente “tidally locked”: il suo tasso di rotazione e il suo periodo orbitale sono gli stessi, in modo che un lato sia sempre rivolto verso la stella. Questa illustrazione si basa sui nuovi dati raccolti dallo strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb e sulle precedenti osservazioni di altri telescopi terrestri e spaziali, tra cui Hubble e Spitzer. Webb non ha catturato alcuna immagine del pianeta.
WASP-43 b è nuvoloso di notte e limpido di giorno, con venti equatoriali che ululano intorno al pianeta a 8.000 chilometri all’ora.
Un team internazionale di ricercatori ha usato con successo il James Webb Space Telescope della NASA per mappare il tempo sull’esopianeta gassoso gigante WASP-43 b.
Misurazioni precise della luminosità su un ampio spettro di luce nel medio infrarosso, combinate con modelli climatici 3D e precedenti osservazioni di altri telescopi, suggeriscono la presenza di nuvole spesse e alte che coprono il lato notturno, cieli limpidi di giorno e venti equatoriali fino a 8.000 chilometri all’ora che rimescolano i gas atmosferici intorno al pianeta.
L’indagine è solo l’ultima dimostrazione della scienza sugli esopianeti ora possibile con la straordinaria capacità di Webb di misurare le variazioni di temperatura e rilevare i gas atmosferici a trilioni di chilometri di distanza.
“Un gioviano caldo” bloccato in modo tidale
WASP-43 b è un tipo di esopianeta “Giove caldo”: di dimensioni simili a Giove, fatto principalmente di idrogeno ed elio, e molto più caldo di qualsiasi pianeta gigante del nostro sistema solare. Anche se la sua stella è più piccola e più fredda del Sole, WASP-43 b orbita a una distanza di soli 1,3 milioni di miglia – meno di 1/25 della distanza tra Mercurio e il Sole.
Con un’orbita così stretta, il pianeta è bloccato a marea, con un lato continuamente illuminato e l’altro nell’oscurità permanente. Anche se il lato notturno non riceve mai alcuna radiazione diretta dalla stella, i forti venti verso est trasportano calore dal lato del giorno.
Dalla sua scoperta nel 2011, WASP-43 b è stato osservato con numerosi telescopi, tra cui Hubble della NASA e l’oramai in pensione Spitzer.
“Con Hubble , abbiamo potuto vedere chiaramente che c’è vapore acqueo sul lato del giorno. Sia Hubble che Spitzer hanno suggerito che potrebbero esserci nuvole sul lato notturno“, ha spiegato Taylor Bell, ricercatore del Bay Area Environmental Research Institute e autore principale di uno studio pubblicato oggi su Nature Astronomy . “Ma avevamo bisogno di misurazioni più precise da Webb per iniziare davvero a mappare la temperatura, la copertura nuvolosa, i venti e la composizione atmosferica più dettagliata in tutto il pianeta“.
Questa curva di luce mostra la variazione di luminosità del sistema WASP-43 nel tempo, mentre il pianeta orbita intorno alla stella. Questo tipo di curva di luce è noto come curva di fase perché comprende l’intera orbita, o tutte le fasi del pianeta. Poiché è bloccato dal punto di vista laterale, i diversi lati di WASP-43 b ruotano in vista durante la sua orbita. Il sistema appare più luminoso quando il lato caldo del giorno è rivolto verso il telescopio, appena prima e dopo l’eclissi secondaria quando il pianeta passa dietro la stella. Il sistema si attenua man mano che il pianeta prosegue la sua orbita e il lato notturno ruota in vista. Dopo il transito, quando il pianeta passa davanti alla stella, bloccando parte della luce stellare, il sistema si illumina nuovamente quando il lato giorno torna a essere visibile. Questo grafico mostra più di 8.000 misurazioni della luce del medio infrarosso da 5 a 12 micron catturate nel corso di una singola osservazione di 24 ore utilizzando la modalità di spettroscopia a bassa risoluzione dello strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb. Sottraendo la quantità di luce apportata dalla stella, gli astronomi possono calcolare quella proveniente dal lato visibile del pianeta durante la sua orbita. Webb è stato in grado di rilevare differenze di luminosità fino allo 0,004% (40 parti per milione).
Poiché la quantità di luce nel medio infrarosso emessa da un oggetto è direttamente correlata alla sua temperatura, gli astronomi hanno potuto utilizzare queste misurazioni per calcolare la temperatura media dei diversi lati del pianeta.
Mappare la temperatura e dedurre il tempo atmosferico
Sebbene WASP-43 b sia troppo piccolo, debole e vicino alla sua stella per essere visto direttamente da un telescopio, il suo breve periodo orbitale di sole 19,5 ore lo rende ideale per la spettroscopia della curva di fase, una tecnica che prevede la misurazione di piccoli cambiamenti nella luminosità del sistema stella-pianeta mentre il pianeta orbita intorno alla stella.
Poiché la quantità di luce nel medio infrarosso emessa da un oggetto dipende in gran parte da quanto è caldo, i dati di luminosità catturati da Webb possono quindi essere utilizzati per calcolare la temperatura del pianeta.
Il team ha utilizzato il MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb per misurare la luce dal sistema WASP-43 ogni 10 secondi per più di 24 ore. “Osservando su un’intera orbita, siamo stati in grado di calcolare la temperatura dei diversi lati del pianeta mentre ruotano in vista“, ha spiegato Bell. “Da questo, potremmo costruire una mappa approssimativa della temperatura in tutto il pianeta“.
Le misurazioni mostrano che il lato giorno ha una temperatura media di quasi 2.300 gradi Fahrenheit (1.250 gradi Celsius), abbastanza calda da forgiare il ferro. Nel frattempo, il lato notturno è significativamente più freddo, con 1.100 gradi Fahrenheit (600 gradi Celsius).
I dati aiutano anche a localizzare il punto più caldo del pianeta (il “punto caldo”), che è leggermente spostato verso est rispetto al punto che riceve la maggiore radiazione stellare, dove la stella è più alta nel cielo del pianeta. Questo spostamento avviene a causa dei venti supersonici, che spostano l’aria riscaldata verso est.
“Il fatto di poter mappare la temperatura in questo modo è una vera e propria prova della sensibilità e della stabilità di Webb“, ha dichiarato Michael Roman, coautore dell’Università di Leicester nel Regno Unito.
Per interpretare la mappa, il team ha utilizzato complessi modelli atmosferici 3D, come quelli utilizzati per comprendere il tempo e il clima sulla Terra. L’analisi mostra che il lato notturno è probabilmente coperto da uno spesso e alto strato di nuvole che impedisce ad una parte della luce infrarossa di sfuggire allo spazio. Di conseguenza, il lato notturno, pur essendo molto caldo, appare più fioco e freddo di quanto sarebbe se non ci fossero le nuvole.
Questa serie di mappe mostra la temperatura del lato visibile del caldo esopianeta gigante gassoso WASP-43 b, mentre il pianeta orbita intorno alla sua stella. Le temperature sono state calcolate sulla base di oltre 8.000 misure di luminosità della luce nell’infrarosso medio da 5 a 12 micron rilevate dal sistema stella-pianeta dallo strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) del telescopio spaziale James Webb della NASA. In generale, più un oggetto è caldo, più luce nel medio infrarosso emette. Poiché WASP-43 b orbita così vicino alla sua stella (circa 1,3 milioni di miglia, o 0,014 unità astronomiche), è bloccata lateralmente: Un lato è sempre rivolto verso la stella, ricevendo radiazioni continue, mentre l’altro è rivolto verso la stella, in un’oscurità permanente. Ciò comporta una netta differenza di temperatura tra il lato giorno e il lato notte. La quantità di luce infrarossa rilevata dal pianeta è massima quando il lato caldo del pianeta è rivolto verso il telescopio, appena prima e dopo il passaggio dietro la stella (un fenomeno noto come eclissi secondaria). Il pianeta appare molto più debole nella luce infrarossa quando il lato notturno, più freddo, è rivolto verso il telescopio, mentre si muove attraverso la stella (il transito).
L’esatta differenza di temperatura, tuttavia, dipende anche da fattori quali la velocità del vento e la copertura nuvolosa. In base alle osservazioni MIRI, WASP-43 b ha una temperatura media di circa 2.280°F (1.250°C) sul lato giorno e di 1.115°F (600°C) sul lato notte. Ciò è coerente con i forti venti che trasportano il calore dal lato giorno al lato notte e con la presenza di nubi notturne che impediscono all’energia termica di sfuggire nello spazio.Le mappe di temperatura sono state realizzate analizzando attentamente il cambiamento di temperatura quando le diverse parti del pianeta ruotano dentro e fuori la visuale. La ricerca indica che il punto più caldo del pianeta non è quello che riceve la maggior parte della luce dalla stella (il punto substellare, dove la stella si trova in alto nel cielo). Al contrario, è spostato di circa 7 gradi verso est. (Questo è il risultato dei forti venti equatoriali, che soffiano a velocità superiori a 5.000 miglia all’ora, spostando l’aria calda in orizzontale prima che possa irradiare energia nello spazio.
Metano mancante e venti forti
L’ampio spettro di luce nel medio infrarosso catturato da Webb ha permesso anche di misurare la quantità di vapore acqueo (H2O) e metano (CH4) intorno al pianeta. “Webb ci ha dato l’opportunità di capire esattamente quali molecole stiamo vedendo e di porre dei limiti alle abbondanze“, ha dichiarato Joanna Barstow, coautrice della Open University nel Regno Unito.
Gli spettri mostrano chiari segni di vapore acqueo sia sul lato notturno che su quello diurno del pianeta, fornendo ulteriori informazioni sullo spessore delle nubi e sulla loro altezza nell’atmosfera.
Sorprendentemente, i dati mostrano anche una netta mancanza di metano nell’atmosfera. Sebbene il lato giorno sia troppo caldo per l’esistenza del metano (la maggior parte del carbonio dovrebbe essere sotto forma di monossido di carbonio), il metano dovrebbe essere stabile e rilevabile nel lato notte, più freddo.
“Il fatto che non vediamo metano ci dice che WASP-43 b deve avere una velocità del vento che raggiunge qualcosa come 8.000 chilometri all’ora“, ha spiegato Barstow. “Se i venti spostano il gas dal lato giorno al lato notte e viceversa abbastanza velocemente, non c’è abbastanza tempo per le reazioni chimiche previste per produrre quantità rilevabili di metano sul lato notte“.
L’équipe ritiene che, a causa di questo rimescolamento provocato dai venti, la chimica atmosferica sia la stessa lungo tutto il perimetro del pianeta, cosa che non risultava dal lavoro svolto in passato con Hubble e Spitzer.
L’osservazione MIRI di WASP-43 b è stata condotta nell’ambito dei programmi Webb Early Release Science, che stanno fornendo ai ricercatori una vasta serie di dati robusti e ad accesso libero per lo studio di un’ampia gamma di fenomeni cosmici.
Fonte
La Macchina del Tempo 