Un giovane esopianeta gigante gassoso lascia perplessi gli astronomi


Concezione artistica di un esopianeta gigante gassoso in orbita attorno a una stella simile al Sole. Il giovane esopianeta HD 114082 b ruota intorno alla sua stella simile al Sole in 110 giorni a una distanza di 0,5 unità astronomiche.

Gli scienziati trovano l’esopianeta super-gioviano più giovane di cui abbiano misurato sia la massa che le dimensioni

Un team di astronomi guidato da Olga Zakhozhay del MPIA ha scoperto un esopianeta gigante attorno alla stella simile al Sole HD 114082. Con un’età di soli 15 milioni di anni, questo super-Gioviano è il più giovane esopianeta di questo tipo per il quale gli astronomi sono riusciti a determinare il raggio e la massa. Mentre le sue dimensioni corrispondono al diametro di Giove, la massa di HD 114082 b ammonta a otto volte il valore di Giove. La combinazione di queste quantità è difficile da conciliare con i modelli di formazione dei pianeti ampiamente accettati. Una possibile soluzione a questo enigma potrebbe richiedere un aggiornamento dei modelli di formazione per tenere conto di un nucleo planetario solido insolitamente grande. I risultati sono stati pubblicati nella rivista Astronomy & Astrophysics.


Gli astronomi hanno scoperto più di 5.000 esopianeti, di cui circa il 15% sono giganti gassosi con una massa pari almeno a quella di Giove. Ora un gruppo di astronomi guidati da Olga Zakhozhay (Istituto Max Planck per l’Astronomia, Heidelberg, Germania e Osservatorio Astronomico Principale, Accademia Nazionale delle Scienze dell’Ucraina, Kyiv, Ucraina) ha scoperto un esopianeta chiamato HD 114082 b con una serie di proprietà particolari che fanno grattare la testa agli scienziati.

Il pianeta è grande quanto Giove, ma la sua massa raggiunge le otto masse di Giove. “Rispetto ai modelli attualmente accettati, HD 114082 b è da due a tre volte troppo denso per essere un giovane gigante gassoso di soli 15 milioni di anni“, spiega Olga Zakhozhay, autrice principale dello studio. La densità media risultante di questo pianeta gassoso è pari al doppio di quella della Terra, il che è davvero notevole. Dopo tutto, la Terra è un pianeta roccioso con un nucleo di ferro-nichel e non è composta da idrogeno ed elio, gli elementi più leggeri dell’Universo che costituiscono quasi interamente Giove.

HD 114082 b è attualmente il più giovane pianeta gigante gassoso conosciuto con una massa e un raggio stabiliti“, sottolinea Zakhozhay. Di conseguenza, promette di insegnare agli astronomi qualcosa sulla formazione dei giganti gassosi in generale.

Due diversi meccanismi di formazione dei pianeti

Pensiamo che i pianeti giganti possano formarsi in due modi possibili”, afferma Ralf Launhardt, coautore del MPIA. “Entrambi avvengono all’interno di un disco protoplanetario di gas e polvere distribuito attorno a una giovane stella centrale“. Il primo processo, noto come “accrezione del nucleo”, comporta in una prima fase l’accumulo di un nucleo solido di materiale roccioso. Una volta raggiunta una massa critica, la sua forza gravitazionale attrae il gas circostante, portando all’accrescimento di idrogeno ed elio in un processo inarrestabile per formare un pianeta gigante. La seconda modalità, denominata “instabilità del disco”, prevede la presenza di particelle gravitazionalmente instabili di gas denso che collassano direttamente per trasformarsi in un pianeta gigante senza nucleo roccioso.

A seconda delle ipotesi fatte per questi due scenari, il gas dovrebbe raffreddarsi a velocità diverse, determinando la temperatura dei giovani pianeti giganti gassosi. Di conseguenza, i nuovi pianeti potrebbero sperimentare un “inizio freddo” o un “inizio caldo”, portando a differenze osservabili che possono potenzialmente distinguere tra questi modelli, soprattutto in giovane età.

I modelli preferiti non si adattano

Attualmente, gli astronomi preferiscono uno scenario di accrezione del nucleo con un inizio caldo per i pianeti giganti come HD 114082 b. Poiché il gas caldo comprende un volume maggiore di quello freddo, si dovrebbero misurare notevoli differenze nelle dimensioni dei pianeti osservati. Questo contrasto di dimensioni è più pronunciato per i pianeti giovani. Tuttavia, diventa meno pronunciato durante le prime centinaia di milioni di anni di raffreddamento dopo la formazione.

A prima vista, HD 114082 b sfida le aspettative degli astronomi. La sua combinazione di massa e dimensioni è incompatibile con l’immagine dell’inizio caldo. Sembra invece corrispondere meglio allo scenario dell’inizio a freddo. È interessante notare che altri candidati leggermente più vecchi, citati in altri studi, mostrano lo stesso comportamento.

È troppo presto per abbandonare l’idea di un inizio caldo“, spiega Ralf Launhardt. “Tutto ciò che possiamo dire è che non comprendiamo ancora molto bene la formazione dei pianeti giganti“. È chiaro che, rispetto ai modelli attuali, HD 114082 b è troppo piccolo per la sua massa. O ha un nucleo solido insolitamente grande, o i modelli non sono corretti e sottostimano la velocità di raffreddamento dei giganti gassosi – o entrambe le cose.

I vantaggi dei progetti a lungo termine

La scoperta di HD 114082 b è il risultato di un vasto programma osservativo denominato RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets around Young stars). Attualmente consiste in 775 ore di osservazione con il telescopio ESO/MPG da 2,2 metri gestito dall’MPIA presso il sito di La Silla dell’European Southern Observatory (ESO) in Cile, distribuite in 4,5 anni. RVSPY è un buon esempio di ricerca astronomica ad alto rendimento condotta presso telescopi con accesso prolungato per un lungo periodo. Tali studi difficilmente sarebbero possibili con i telescopi più recenti, poiché il tempo di osservazione per progetto è fortemente limitato a causa dell’elevata richiesta.

RVSPY mira a scoprire la popolazione di pianeti giganti (caldi, tiepidi e freddi) intorno a stelle giovani. A tal fine, gli astronomi ottengono serie temporali di spettri di 111 stelle giovani, ossia dividono la luce stellare nelle sue componenti cromatiche fondamentali, simili a quelle che vediamo in un arcobaleno. Piccoli spostamenti periodici negli spettri stellari possono indicare un movimento di oscillazione della stella osservata, causato dall’attrazione gravitazionale di un pianeta orbitante. In linea di principio, l’attività delle stelle, come le pulsazioni o i brillamenti, può compromettere le misurazioni, in particolare nelle stelle giovani come HD 114082. Tuttavia, la qualità dei dati RVSPY è sufficientemente buona per rilevare il segnale della stella oscillante senza alcun dubbio. Il team ha anche incluso dati d’archivio più vecchi provenienti da altri telescopi per estendere la copertura al passato.

Un evento di transito completa l’analisi

Curva di luce del transito dell’esopianeta sulla sua stella madre. Essa mostra la riduzione relativa dell’intensità stellare dovuta al leggero oscuramento causato da HD 114082 b quando transita davanti alla sua stella. Olga Zakhozhay e il suo team hanno determinato le dimensioni del pianeta in base a questa misurazione. I dati provengono dal Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Mentre gli astronomi applicano il cosiddetto metodo della velocità radiale (RV) per dedurre la massa di un pianeta e la durata di una rivoluzione intorno alla sua stella centrale, il periodo orbitale, devono affidarsi a una tecnica diversa per determinare le sue dimensioni. Supponiamo che l’orbita del pianeta sia orientata in modo tale da incrociare per caso la stella centrale. Gli astronomi chiamano questo evento “transito”. Quando ciò accade, la minuscola riduzione periodica della luce ricevuta durante i transiti può essere tradotta direttamente nel raggio del pianeta e aiuta a perfezionare il suo periodo orbitale.

Sospettavamo già una configurazione quasi edge-on dell’orbita planetaria da un anello di polvere intorno a HD 114082 scoperto diversi anni fa“, dice Olga Zakhozhay. “Tuttavia, ci siamo sentiti fortunati a trovare nei dati di TESS un’osservazione con una bella curva di luce di transito che ha migliorato la nostra analisi“. TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) è una sonda spaziale della NASA che cerca esopianeti intorno a stelle relativamente vicine alla Terra.

Combinando queste misurazioni, Zakhozhay e i suoi colleghi hanno scoperto che HD 114082 b orbita intorno alla sua stella madre simile al Sole entro 110 giorni a una distanza di circa 0,5 unità astronomiche. Un’unità astronomica è la distanza media tra il Sole e la Terra. Assomiglia quindi all’orbita di Mercurio intorno al nostro Sole.

Necessità di modelli migliori

HD 114082 b è uno dei soli tre giovani pianeti giganti con età fino a 30 milioni di anni, con masse e dimensioni note. E tutti sono probabilmente incoerenti con i modelli più comunemente adottati per l’avvio a caldo. Sebbene gli astronomi stiano osservando statistiche di basso numero con tre su tre, sembra improbabile che questi pianeti siano tutti outlier. “Sebbene siano necessari altri pianeti di questo tipo per confermare questa tendenza, crediamo che i teorici dovrebbero iniziare a rivalutare i loro calcoli“, sottolinea Zakhozhay. “È entusiasmante il modo in cui i nostri risultati osservativi si ripercuotono sulla teoria della formazione dei pianeti. Contribuiscono a migliorare le nostre conoscenze su come crescono questi pianeti giganti e ci dicono dove si trovano le lacune della nostra comprensione“.

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