Illustrazione artistica di un Gioviano ultra-caldo.
I Gioviani ultra-caldi (UHJ) sono alcuni degli oggetti astronomici più affascinanti del cosmo, classificati per avere periodi orbitali inferiori a circa tre giorni con temperature diurne superiori a 1.930°C (3.500°F), poiché la maggior parte di essi è bloccata tidalmente con la propria stella madre.
Ma queste orbite estremamente ravvicinate comporteranno un decadimento orbitale per gli UHJ che finiranno per essere inghiottiti dalla loro stella, oppure alcuni possono orbitare a lungo termine senza preoccupazioni?
È questo l’obiettivo di un recente studio pubblicato sul server di preprint arXiv e accettato dal Planetary Science Journal.
Il team di ricercatori internazionali ha analizzato i potenziali decadimenti orbitali di diversi UHJ, con il potenziale di aiutare gli astronomi non solo a comprendere meglio gli UHJ, ma anche la formazione e l’evoluzione degli esopianeti in generale.
Qui discutiamo di questa ricerca con l’autrice principale dello studio, la dott.ssa Elisabeth Adams, scienziata senior presso il Planetary Science Institute, in merito alle motivazioni alla base dello studio, ai risultati significativi, agli studi successivi e all’importanza di studiare il decadimento orbitale degli UHJ e degli UHJ in generale.
Qual è stata la motivazione alla base di questo studio sul decadimento orbitale degli UHJ?
“Da quando è stato annunciato il primo esopianeta, 51 Peg b detto Dimidium, con un’orbita di 4 giorni, gli scienziati si sono preoccupati molto della stabilità a lungo termine di questi pianeti giganti”, spiega il dottor Adams a Universe Today.
“Sappiamo da tempo che oggetti delle dimensioni di Giove non possono esistere con orbite più brevi di circa 19 ore (questo è il limite di Roche), ma anche i pianeti giganti con orbite di pochi giorni sono instabili a lungo termine perché le forze di marea causano inesorabilmente il decadimento delle loro orbite. La grande incognita è cosa significhi “a lungo termine”: Il pianeta decadrà mentre la stella è ancora sulla sequenza principale o il processo durerà così a lungo che la stella morirà per prima?”.
Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di telescopi terrestri e spaziali per condurre la fotometria stellare e l’analisi delle curve di luce degli esopianeti di 43 UHJ con periodi orbitali che vanno da 0,67 giorni (TOI-2109 b) a 3,03 giorni (TrES-1 b), con l’obiettivo di accertare il tasso di variazione del loro periodo orbitale (cioè l’aumento del periodo orbitale o la diminuzione del periodo orbitale (decadimento orbitale) misurato in millisecondi all’anno (ms/yr).
Questo studio è consistito in dati di curve di luce di transito misurati in precedenza e nuovi, con l’esecuzione di alcuni calcoli per determinare il tasso di variazione del periodo orbitale per ciascuna delle 43 UHJ. Inoltre, più della metà dei 43 UHJ di questo studio ha dati osservativi di oltre un decennio, con uno che supera i 20 anni di dati (WASP-18 b con 32 anni).
Quali sono i risultati più significativi di questo studio?
Il dottor Adams ha detto: “La cosa interessante non è solo che questo studio non ha trovato nuovi casi di decadimento orbitale, ma anche che stiamo iniziando a vedere diversi ordini di grandezza di differenza nella durata del decadimento orbitale.
“I due casi migliori di decadimento di pianeti (WASP-12 b e Kepler-1658 b) decadono a velocità superiori a 10-1.000 volte rispetto ai pianeti intorno ai quali non troviamo decadimento (ad esempio, WASP-18 b, WASP-19b e KELT-1b); se questi ultimi pianeti decadessero alla stessa velocità di WASP-12 b, li avremmo sicuramente già individuati”.
Come si è detto, questo studio completo ha contribuito a identificare nuove informazioni sul decadimento orbitale degli UHJ, in particolare sulla mancanza di decadimento orbitale per la maggior parte di essi, il che significa che alcune orbite potrebbero essere potenzialmente stabili a lungo termine nonostante orbitino estremamente vicine alle rispettive stelle madri.
Inoltre, ha contribuito a mettere in discussione le precedenti misurazioni relative al decadimento orbitale di alcuni UHJ, che potrebbero aiutare gli astronomi a comprendere meglio la formazione e l’evoluzione degli UHJ nell’universo. Quindi, data la completezza dello studio, quali sono gli studi di follow-up attualmente in corso o in fase di pianificazione?
Il dottor Adams dice: “Dovremo continuare a cercare! Questo articolo è il primo della nostra indagine e copre solo circa la metà delle UHJ conosciute, che continuano a essere scoperte; tra i nostri obiettivi, la metà non è stata osservata abbastanza a lungo, o con abbastanza transiti, per dire se si sta verificando un decadimento orbitale anche molto rapido. Per gli altri, potrebbero essere necessari ancora alcuni anni, o forse qualche decennio, per osservarli.
“I teorici sono anche impegnati a spiegare come l’età e la struttura della stella contribuiscano ai diversi tassi di decadimento, anche se l’elevata incertezza tra i modelli teorici è il motivo per cui mi piace poter misurare empiricamente il tasso di decadimento”.
Lo studio del decadimento orbitale è essenziale per capire meglio se e quando due oggetti astronomici entreranno in collisione tra loro, tra cui un pianeta e il suo satellite (più spesso una luna), una stella e un altro pianeta o una cometa che le orbita intorno (con conseguente incenerimento di quest’ultima), una stella e un’altra stella (con conseguenti onde gravitazionali o esplosioni di raggi gamma) e qualsiasi oggetto astronomico che orbita l’uno intorno all’altro (sistema binario).
Per la Terra, la misurazione del decadimento orbitale è stata fondamentale per capire quando i satelliti artificiali potrebbero bruciare nell’atmosfera del nostro pianeta. Ma, per quanto riguarda gli esopianeti, qual è l’importanza dello studio del decadimento orbitale per gli UHJ, ed è limitato solo agli UHJ?
“Il decadimento mareale è più importante per i pianeti di grandi dimensioni”, afferma il dottor Adams. “È incredibile che siano stati trovati pianeti di dimensioni terrestri con orbite di appena 4 ore, ma si prevede che siano stabili dal punto di vista mareale per molti miliardi di anni. (Ho pubblicato in precedenza un lavoro su questi piccoli pianeti a periodo ultrabreve). Più grande è il pianeta e più vicino è alla stella, più forti sono gli effetti di marea e più velocemente l’orbita decadrà”.
Le UHJ sono designate in modo non ufficiale come una sottoclasse di Gioviani caldi. Come questo studio, anche i precedenti UHJ sono stati esaminati utilizzando una combinazione di telescopi terrestri e spaziali. Come ha osservato il dottor Adams, questo studio ha esaminato circa la metà degli UHJ conosciuti, il che significa che ci sono circa 100 UHJ conosciuti che popolano il cosmo.
Come è stato osservato, la maggior parte degli UHJ sono bloccati tidalmente con la loro stella madre, il che significa che un lato è costantemente rivolto verso la stella durante la sua orbita, con le temperature roventi del lato giorno che causano la rottura e la ricombinazione delle molecole sul lato notte. Queste caratteristiche rendono gli UHJ alcuni degli oggetti astronomici più intriganti e misteriosi da studiare. Ma qual è l’importanza dello studio delle UHJ, in generale?
“I Gioviani ultra-caldi ci permettono di misurare una proprietà fondamentale delle stelle (il fattore di qualità mareale, che stabilisce il tasso di decadimento)”, spiega il dottor Adams. “Modellare il loro passato e il loro futuro ci permette di affinare le nostre teorie sulla formazione e la migrazione dei pianeti. Alcuni di loro potrebbero anche perdere la loro atmosfera, cosa che possiamo cercare”.
“Sono anche alcuni dei pianeti più facili da osservare, perché sono grandi, caldi e vicini alla loro stella e costituiscono ottimi obiettivi sia per le osservazioni di alta precisione (ad esempio, gli studi atmosferici con JWST) sia per la divulgazione (sono ottimi obiettivi per i dilettanti interessati con telescopi decenti)”.
Questo studio arriva mentre la NASA e le altre agenzie spaziali di tutto il mondo continuano a scoprire esopianeti a un ritmo incredibile, con la NASA che elenca il numero di esopianeti confermati a 5.630 al momento in cui scriviamo. Di questi, 1.805 sono classificati come giganti gassosi (delle dimensioni di Saturno o Giove), con un numero infinito di mondi che orbitano intorno alla loro stella madre in pochi giorni o meno.
Man mano che la nostra conoscenza degli esopianeti continua ad espandersi, aumenterà anche la nostra comprensione degli UHJ, compresa la loro formazione ed evoluzione, insieme alla formazione e all’evoluzione delle loro stelle madri.
“Il mio motto per lo studio degli esopianeti è aspettarsi l’inaspettato”, dice il dottor Adams. “Anche dopo tre decenni di osservazioni, continuiamo a trovare pianeti in luoghi inaspettati che fanno cose strane, e poi impariamo molto sull’universo capendo cosa stanno facendo e perché. È una cosa che ti tiene sulle spine!”.
La Macchina del Tempo 