Come hanno fatto i pianeti di TRAPPIST-1 ad ottenere la loro acqua?


Tre dei pianeti TRAPPIST-1 – TRAPPIST-1e, f e g – abitano la cosiddetta “zona abitabile” della loro stella.

Nel 2017, un team internazionale di astronomi ha annunciato una scoperta epocale. Sulla base di anni di osservazioni, hanno scoperto che il sistema TRAPPIST-1 (una nana rossa di tipo M situata a 40 anni luce dalla Terra) conteneva non meno di sette pianeti rocciosi. Altrettanto emozionante è stato il fatto che tre di questi pianeti sono stati trovati all’interno della zona abitabile della stella (HZ), e che il sistema stesso ha avuto 8 miliardi di anni per sviluppare la chimica per la vita.

Allo stesso tempo, il fatto che questi pianeti orbitino strettamente intorno a una stella nana rossa ha fatto sorgere il dubbio che questi tre pianeti possano mantenere un’atmosfera o un’acqua liquida per molto tempo. Secondo nuove ricerche di un team internazionale di astronomi, tutto dipende dalla composizione del disco detritico da cui si sono formati i pianeti e dal fatto che le comete fossero o meno in giro per distribuire l’acqua in seguito.

Il team responsabile di questa ricerca era guidato da Sebastian Marino del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e comprendeva membri dell’Università di Cambridge, dell’Università di Warwick, dell’Università di Birmingham, dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e del MPIA. Lo studio che descrive le loro scoperte è apparso recentemente negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Per quanto riguarda le modalità di formazione del sistema solare, gli astronomi sono concordi nel ritenere che esso si sia formato più di 4,6 miliardi di anni fa a partire da una nebulosa di gas, polveri e volatili (alias l’ipotesi nebulare). Secondo questa teoria, questi elementi si sono coalizzati nel centro, subendo un collasso gravitazionale per creare il sole. Nel corso del tempo, il resto del materiale ha formato un disco intorno al sole che alla fine si è accumulato per formare i pianeti.

Plutone e le sue coorti nella cintura di Kuiper, ricca di asteroidi, oltre l’orbita di Nettuno.

All’interno della parte esterna del sistema solare, gli oggetti rimasti dalla formazione si sono depositati in una grande cintura contenente grandi quantità di iceteroidi, altrimenti nota come cintura di Kuiper. Secondo la Teoria dei Bombardamenti Tardivi, l’acqua veniva distribuita sulla Terra e in tutto il sistema solare da innumerevoli comete e oggetti ghiacciati che venivano fatti uscire da questa cintura e inviati a tutta velocità verso l’interno.

Se il sistema TRAPPIST-1 ha una propria cintura di Kuiper, allora è ragionevole pensare che sia stato coinvolto un processo simile. In questo caso, le perturbazioni gravitazionali avrebbero causato l’espulsione di oggetti dalla cintura che poi hanno viaggiato verso i sette pianeti per depositare acqua sulla loro superficie. In combinazione con le giuste condizioni atmosferiche, i tre pianeti nella ZTA della stella avrebbero potuto avere sufficienti quantità d’acqua sulla loro superficie.

Come il Dott. Marino ha spiegato:

“La presenza di una cintura indica che un sistema ha un grande serbatoio di volatili e di acqua. Questo serbatoio è tipicamente situato più lontano nelle regioni fredde di un sistema, tuttavia, ci sono diversi processi che potrebbero portare una frazione di quel materiale ricco di acqua vicino ai pianeti HZ e fornire il loro contenuto. Trovare una cintura di comete è un’indicazione che il serbatoio esisteva”.

Tuttavia, il Dott. Marino ha incluso anche l’avvertenza che l’assenza di una tale cintura intorno alle stelle oggi non è la prova che un sistema non avrebbe un’adeguata fornitura di acqua per sostenere la vita. È del tutto possibile che i sistemi che avevano una tale cintura li abbiano inizialmente persi dopo miliardi di anni di evoluzione a causa di eventi dinamici. È anche possibile che essi possano diventare troppo deboli per essere rilevati, poiché le cinture diventano naturalmente meno massicce e luminose nel tempo.

Per cercare un segno di una cintura eso-Kuiper Belt intorno al sistema TRAPPIST-1, il team si è basato sui dati raccolti dall’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Questo array è rinomato per la sua capacità di rilevare oggetti che emettono radiazioni elettromagnetiche tra l’infrarosso e le lunghezze d’onda radio con un alto grado di sensibilità.

Questo permette ad ALMA di visualizzare i granelli di polvere e gli elementi volatili (come il monossido di carbonio) che caratterizzano i nastri detritici. Questi sono generalmente troppo deboli per essere visti alla luce visibile, ma emettono radiazioni termiche a causa del calore che assorbono dalla loro rispettiva stella. Nonostante la sensibilità di ALMA, il team non ha trovato alcuna prova di una cintura eso-Kuiper intorno a TRAPPIST-1.

“Purtroppo non abbiamo rilevato questo intorno a TRAPPIST-1, ma i nostri limiti superiori ci hanno permesso di escludere che il sistema avesse inizialmente una massiccia cintura di grandi comete ad una distanza simile alla Kuiper Belt”, ha detto il dottor Marino. “E’ possibile, però, che il sistema si sia effettivamente formato con una tale cintura, ma è stato completamente perturbato da una instabilità dinamica del sistema”.

Un’illustrazione artistica del sistema Proxima Centauri. Proxima b in a sinistra, mentre Proxima C è a destra.

Essi concludono inoltre che il sistema TRAPPIST-1 avrebbe potuto nascere con un disco planetario più piccolo di 40 AU di raggio e con meno di 20 masse terrestri di materiali. Inoltre, essi teorizzano che la maggior parte dei granelli di polvere nel disco sono stati probabilmente trasportati verso l’interno e utilizzati per formare i sette pianeti che compongono il sistema planetario.

Il Dott. Marino e i suoi colleghi hanno anche usato il loro codice di modellazione per esaminare i dati d’archivio di ALMA su Proxima Centauri e il suo sistema di esopianeti, che includono il roccioso e potenzialmente abitabile Proxima b e la nuova super-terra Proxima c.

Nel 2017, i dati di ALMA sono stati utilizzati per confermare l’esistenza di una cintura fredda di polvere e detriti, che è stata vista come una possibile indicazione che la stella aveva più esopianeti.

Anche in questo caso, i loro risultati hanno mostrato solo limiti superiori all’emissione di gas e polveri, il che implicherebbe che il giovane disco di Proxima Centauri è circa un decimo più massiccio di quello che ha formato il nostro sistema solare. Come ha spiegato il dottor Marino, questo studio solleva diversi interrogativi sui sistemi stellari a bassa massa:

“Se continuassimo a scoprire che questo tipo di sistema non ha cinture di comete massicce, potrebbe significare che tutto il materiale usato per formare queste comete è stato usato invece per formare e far crescere i pianeti più vicini. È molto incerto cosa ciò significhi per la composizione di questi pianeti, poiché dipende realmente da dove e come questi pianeti si sono formati. Tanto per sottolineare, questo tipo di cintura si trova intorno al 20% delle stelle vicine che sono come il sole o più massicce. Intorno alle stelle di bassa massa, questo è stato molto più impegnativo, e conosciamo solo poche cinture intorno alle stelle M”.

Ciò potrebbe essere dovuto ad alcuni pregiudizi che rendono più facile individuare le cinture più calde intorno alle stelle più luminose rispetto alle cinture fredde intorno alle stelle di tipo M, aggiunge il Dott. Potrebbe anche essere il risultato di qualche differenza intrinseca tra l’architettura dei sistemi planetari intorno alle stelle simili al sole (di tipo G o più luminose) e quelle che orbitano intorno alle nane rosse.

In breve, questi risultati lasciano misteriosa la questione di come l’acqua sia stata trasportata precocemente attraverso i sistemi stellari di tipo M. Allo stesso tempo, hanno incoraggiato il Dott. Marino e i suoi colleghi ad applicare le loro tecniche ai sistemi stellari più giovani e più vicini per perfezionare i loro modelli e aumentare le probabilità di rilevamento.

Questi sforzi beneficeranno anche dei nuovi telescopi spaziali e terrestri che saranno messi in linea nei prossimi anni. “Alcuni telescopi di nuova generazione dovrebbero essere più sensibili, e quindi rilevare queste cinture se sono effettivamente presenti, ma non abbastanza brillanti per rilevarle con i telescopi attuali”, ha detto il Dr. Marino.

Come per altre scoperte, questi risultati mostrano come gli studi sugli esopianeti abbiano fatto il passaggio dal processo di scoperta a quello di caratterizzazione. Con i miglioramenti nella strumentazione e nella metodologia, stiamo cominciando a vedere quanto diversi e differenziati possano essere altri tipi di sistemi stellari rispetto ai nostri.

Fonte