Questo illustrazione mostra l’aspetto che potrebbe avere l’esopianeta WASP-107 b in base ai dati raccolti di recente dal Telescopio Spaziale James Webb della NASA, insieme alle precedenti osservazioni di Hubble e di altri telescopi spaziali e terrestri. WASP-107 b è un esopianeta “Nettuno caldo” che orbita attorno a una stella relativamente piccola e fredda a circa 210 anni luce dalla Terra, nella costellazione della Vergine. Il pianeta è grande circa l’80% di Giove in termini di volume, ma ha una massa inferiore al 10% di Giove, il che lo rende uno degli esopianeti meno densi conosciuti. WASP-107 b orbita intorno alla sua stella a una distanza di circa 5 milioni di miglia (0,055 unità astronomiche, o UA), completando un’orbita in 5,72 giorni. Il pianeta è bloccato dal punto di vista tidale: Ruota alla stessa velocità con cui orbita intorno alla stella, il che significa che un lato è permanentemente illuminato, mentre l’altro è in continua oscurità, senza un ciclo giorno-notte. L’orbita di WASP-107 b è leggermente ellittica, il che significa che l’attrazione gravitazionale tra la stella e il pianeta cambia continuamente quando il pianeta si muove verso e lontano dalla stella durante la sua orbita.
Perché il caldo esopianeta gassoso WASP-107 b è così, così gonfio? Con una temperatura moderata e una densità ultra-bassa alla pari di un marshmallow al microonde, sembra sfidare le teorie standard della formazione e dell’evoluzione dei pianeti. Due team indipendenti di ricercatori pensano di averlo capito. I dati di Webb, combinati con le precedenti osservazioni di Hubble, mostrano che l’interno di WASP-107 b deve essere molto più tostato di quanto stimato in precedenza. La temperatura inaspettatamente alta, che si pensa sia causata da forze di marea che allungano il pianeta come uno stucco sciocco, può spiegare come pianeti come WASP-107 b possano essere così flosci.
Perché il caldo esopianeta gigante gassoso WASP-107 b è così gonfio? Due gruppi di ricercatori indipendenti hanno una risposta.
I dati raccolti con il Telescopio Spaziale James Webb della NASA, combinati con le precedenti osservazioni del Telescopio Spaziale Hubble della NASA, mostrano una quantità sorprendentemente bassa di metano (CH4) nell’atmosfera del pianeta, indicando che l’interno di WASP-107 b deve essere significativamente più caldo e il nucleo molto più massiccio di quanto stimato in precedenza.
Si ritiene che la temperatura inaspettatamente elevata sia il risultato del riscaldamento mareale causato dall’orbita leggermente non circolare del pianeta e può spiegare come WASP-107 b possa essere così gonfio senza ricorrere a teorie estreme sulla sua formazione.
I risultati, resi possibili dalla straordinaria sensibilità di Webb e dalla sua capacità di misurare la luce che attraversa le atmosfere degli esopianeti, possono spiegare il gonfiore di decine di esopianeti a bassa densità, contribuendo a risolvere un mistero di lunga data nella scienza degli esopianeti.
Il problema di WASP-107 b
Con un volume pari a più di tre quarti di quello di Giove, ma con una massa inferiore a un decimo, l’esopianeta “Nettuno caldo” WASP-107 b è uno dei pianeti meno densi conosciuti. Anche se i pianeti gonfi non sono rari, la maggior parte sono più caldi e più massicci, e quindi più facili da spiegare.
“In base al raggio, alla massa, all’età e alla presunta temperatura interna, pensavamo che WASP-107 b avesse un nucleo roccioso molto piccolo circondato da un’enorme massa di idrogeno ed elio”, ha spiegato Luis Welbanks dell’Arizona State University (ASU), autore principale di un articolo pubblicato oggi su Nature.
“Ma era difficile capire come un nucleo così piccolo potesse assorbire così tanto gas e poi fermarsi prima di diventare un pianeta di massa pari a Giove”.
Se WASP-107 b ha invece la maggior parte della sua massa nel nucleo, l’atmosfera dovrebbe essersi contratta con il raffreddamento del pianeta nel corso del tempo, da quando si è formato. Senza una fonte di calore per far riespandere il gas, il pianeta dovrebbe essere molto più piccolo. Sebbene WASP-107 b abbia una distanza orbitale di soli 5 milioni di chilometri (un settimo della distanza tra Mercurio e il Sole), non riceve abbastanza energia dalla sua stella per essere così gonfio.
Questo spettro di trasmissione, acquisito con i telescopi spaziali Hubble e James Webb della NASA, mostra le quantità di diverse lunghezze d’onda (colori) della luce stellare bloccate dall’atmosfera dell’esopianeta gigante gassoso WASP-107 b. Lo spettro include la luce raccolta in cinque osservazioni separate utilizzando un totale di tre strumenti diversi: WFC3 di Hubble (0,8-1,6 micron), NIRCam di Webb (2,4-4,0 micron e 3,9-5,0 micron) e MIRI di Webb (5-12 micron). Ogni serie di misurazioni è stata effettuata osservando il sistema pianeta-stella per circa 10 ore prima, durante e dopo il transito, mentre il pianeta si muoveva sulla faccia della stella. Confrontando la luminosità della luce filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta (luce trasmessa) con la luce stellare non filtrata, è possibile calcolare la quantità di ciascuna lunghezza d’onda che viene bloccata dall’atmosfera. Poiché ogni molecola assorbe una combinazione unica di lunghezze d’onda, lo spettro di trasmissione può essere utilizzato per limitare l’abbondanza dei vari gas. Questo spettro mostra una chiara evidenza di acqua (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4), anidride solforosa (SO2) e ammoniaca (NH3) nell’atmosfera del pianeta, permettendo ai ricercatori di stimare la temperatura interna e la massa del nucleo.Questa copertura di lunghezze d’onda, dall’ottico al medio infrarosso, è la più ampia dello spettro di trasmissione di un esopianeta fino ad oggi e include la prima rilevazione di ammoniaca nell’atmosfera di un esopianeta riportata da un telescopio spaziale.
WASP-107 b è un obiettivo interessante per Webb perché è significativamente più freddo e con una massa più simile a quella di Nettuno rispetto a molti altri pianeti a bassa densità, i cosiddetti “hot Jupiters”, che abbiamo studiato“, ha dichiarato David Sing della Johns Hopkins University (JHU), autore principale di uno studio parallelo pubblicato oggi su Nature.
“Di conseguenza, dovremmo essere in grado di rilevare metano e altre molecole che possono darci informazioni sulla sua chimica e sulle dinamiche interne che non possiamo ottenere da un pianeta più caldo”.
Una ricchezza di molecole precedentemente non rilevabili
Il raggio gigante di WASP-107 b, l’atmosfera estesa e l’orbita di bordo lo rendono ideale per la spettroscopia di trasmissione, un metodo utilizzato per identificare i vari gas presenti nell’atmosfera di un esopianeta in base al loro impatto sulla luce stellare.
Combinando le osservazioni della NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb, del MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb e della WFC3 (Wide Field Camera 3) di Hubble, il team di Welbanks è riuscito a costruire un ampio spettro della luce da 0,8 a 12,2 micron assorbita dall’atmosfera di WASP-107 b. Utilizzando il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb, il team di Sing ha costruito uno spettro indipendente che copre da 2,7 a 5,2 micron.
La precisione dei dati permette non solo di rilevare, ma anche di misurare le abbondanze di un gran numero di molecole, tra cui il vapore acqueo (H2O), il metano (CH4), l’anidride carbonica (CO2), il monossido di carbonio (CO), l’anidride solforosa (SO2) e l’ammoniaca (NH3).
Questo spettro di trasmissione, acquisito con il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb, mostra la quantità di diverse lunghezze d’onda (colori) della luce stellare del vicino infrarosso bloccate dall’atmosfera dell’esopianeta gigante gassoso WASP-107 b. Lo spettro è stato realizzato osservando il sistema pianeta-stella per circa 8,5 ore prima, durante e dopo il transito, mentre il pianeta si muoveva sulla faccia della stella. Confrontando la luminosità della luce filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta (luce trasmessa) con la luce stellare non filtrata, è possibile calcolare la quantità di ciascuna lunghezza d’onda bloccata dall’atmosfera. Poiché ogni molecola assorbe una combinazione unica di lunghezze d’onda, lo spettro di trasmissione può essere utilizzato per limitare l’abbondanza dei vari gas. Questo spettro mostra una chiara evidenza di acqua (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4) e anidride solforosa (SO2) nell’atmosfera del pianeta, permettendo ai ricercatori di stimare la temperatura interna e la massa del nucleo.
Gas ribollente, interno caldo e nucleo massiccio
Entrambi gli spettri mostrano una sorprendente mancanza di metano nell’atmosfera di WASP-107 b: un millesimo della quantità che ci si aspettava in base alla sua temperatura presunta.
“Questa è la prova che il gas caldo proveniente dalle profondità del pianeta deve mescolarsi vigorosamente con gli strati più freddi in alto”, ha spiegato Sing. “I_l metano è instabile alle alte temperature. Il fatto che ne abbiamo rilevato così poco, anche se abbiamo rilevato altre molecole contenenti carbonio, ci dice che l’interno del pianeta deve essere molto più caldo di quanto pensassimo_”.
Una probabile fonte dell’energia interna extra di WASP-107 b è il riscaldamento mareale causato dalla sua orbita leggermente ellittica. Poiché la distanza tra la stella e il pianeta cambia continuamente nel corso dell’orbita di 5,7 giorni, anche l’attrazione gravitazionale cambia, allungando il pianeta e riscaldandolo.
In precedenza i ricercatori avevano proposto che il riscaldamento mareale potesse essere la causa del rigonfiamento di WASP-107 b, ma fino ai risultati di Webb non c’erano prove.
Una volta accertato che il pianeta ha un calore interno sufficiente a smuovere l’atmosfera, i team si sono resi conto che gli spettri potevano anche fornire un nuovo modo per stimare le dimensioni del nucleo.
“Se sappiamo quanta energia c’è nel pianeta e sappiamo in che proporzione il pianeta è composto da elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e zolfo, rispetto a idrogeno ed elio, possiamo calcolare quanta massa deve esserci nel nucleo”, ha spiegato Daniel Thorngren della JHU.
È emerso che il nucleo è almeno due volte più massiccio di quanto stimato inizialmente, il che ha più senso in termini di formazione dei pianeti”.
Nel complesso, WASP-107 b non è così misterioso come sembrava un tempo.
“I dati di Webb ci dicono che i pianeti come WASP-107 b non si sono formati in un modo strano, con un nucleo super piccolo e un enorme involucro gassoso”, ha spiegato Mike Line dell’ASU. “Al contrario, possiamo prendere qualcosa di più simile a Nettuno, con molte rocce e poco gas, alzare la temperatura e fargli assumere l’aspetto che ha”.
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