Come in ogni libro giallo che si rispetti, c’è un detective, un assassino e un mistero da risolvere. In questo caso la parte del detective la fa senza ombra di dubbio il telescopio spaziale James Webb che, oltre a osservare con i suoi potenti occhi infrarossi – NIRCam e MIRI – è anche dotato di uno spettrografo molto performante (NIRSpec) capace di analizzare le atmosfere dei pianeti extrasolari che si trovano a transitare sul disco della loro stella.
Il mistero da risolvere, invece, è perché il pianeta extrasolare gigante gassoso WASP-107 b sia gonfio. Due team indipendenti di ricercatori hanno una risposta e credono di aver individuato il colpevole.
Esso ritengono che la temperatura inaspettatamente elevata sia il risultato del riscaldamento delle maree causato dall’orbita leggermente non circolare del pianeta e che questo possa spiegare come WASP-107 b possa essersi così gonfiato senza ricorrere a teorie estreme su come si è formato.
I risultati, resi possibili dalla straordinaria capacità del Webb di misurare la luce che passa attraverso le atmosfere degli esopianeti, potrebbero spiegare il gonfiore di dozzine di esopianeti a bassa densità, contribuendo a risolvere un mistero di lunga data nella pur giovane scienza degli esopianeti.
Il mistero di WASP-107 b
I dati recenti raccolti dal James Webb Space Telescope insieme alle precedenti osservazioni di Hubble e di altri telescopi spaziali e terrestri mostrano che WASP-107 b è un esopianeta caldo, di dimensioni simili a Nettuno, in orbita attorno a una stella relativamente piccola e fredda a circa 210 anni luce dalla Terra, nella costellazione della Vergine. Il pianeta ha circa l’80% delle dimensioni di Giove in termini di volume, ma ha una massa inferiore al 10% di quella di Giove, rendendolo uno degli esopianeti meno densi conosciuti. WASP-107 b orbita attorno alla sua stella a una distanza di circa 0,055 unità astronomiche, completando un giro in appena 5,72 giorni. Il pianeta è bloccato in base alle maree: ruota alla stessa velocità con cui orbita attorno alla stella, il che significa che un lato è permanentemente illuminato, mentre l’altro è costantemente buio, quindi non esiste un ciclo giorno-notte. Inoltre, l’orbita di WASP-107 b è leggermente ellittica, il che significa che l’attrazione gravitazionale tra la stella e il pianeta cambia continuamente mentre il pianeta si avvicina e si allontana dalla stella durante la sua orbita.
In definitiva, con più di tre quarti del volume di Giove ma meno di un decimo della massa, l’esopianeta WASP-107 b, viene classificato come “Nettuno caldo” (hot neptune) ed è uno dei pianeti meno densi conosciuti. Sebbene i pianeti “gonfi” non siano rari, la maggior parte sono più caldi e massicci, e quindi più facili da spiegare.
Diverso da quello che ci si aspettava
“In base al suo raggio, massa ed età, 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, autore principale di uno studio recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature. “Ma era difficile capire come un nucleo così piccolo potesse raccogliere così tanto gas e poi fermarsi prima di crescere completamente fino a raggiungere la massa di Giove”.
Se invece WASP-107 b avesse una massa maggiore nel nucleo, l’atmosfera avrebbe dovuto contrarsi mentre il pianeta si raffreddava nel tempo trascorso dalla sua formazione. Senza una fonte di calore per espandere nuovamente il gas, il pianeta dovrebbe essere molto più piccolo. Sebbene, come già indicato, WASP-107 b abbia una distanza orbitale dalla sua stella pari ad appena un settimo della distanza tra Mercurio e il Sole, esso non riceve abbastanza energia per essere così gonfiato.
“WASP-107 b è un obiettivo davvero interessante per il telescopio spaziale Webb perché è significativamente più freddo e con una massa più simile a Nettuno rispetto a molti altri pianeti a bassa densità, i cosiddetti hot jupiters che abbiamo studiato”, ha affermato David Sing della Johns Hopkins University, autore principale di uno studio parallelo pubblicato anch’esso su Nature. “Di conseguenza, dovremmo essere in grado di rilevare il 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 straordinaria ricchezza di molecole
Il raggio gigante di WASP-107 b, l’atmosfera estesa e l’orbita inclinata (edge-on) lo rendono ideale per la spettroscopia di trasmissione, un metodo utilizzato per identificare i vari gas nell’atmosfera di un esopianeta in base al modo in cui influenzano la luce stellare.
Combinando le osservazioni della NIRCam (Near-Infrared Camera) e del MIRI (Mid-Infrared Instrument) del Webb e della WFC3 (Wide Field Camera 3) del telescopio spaziale Hubble, il team di Welbanks è stato in grado di ricostruire un ampio spettro di luce da 0,8 a 12,2 micron assorbita dall’atmosfera di WASP -107. Utilizzando poi il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del Webb, il team di Sing ha costruito uno spettro indipendente che copre da 2,7 a 5,2 micron.
La notevole precisione dei dati consente non solo di rilevare ma anche di misurare effettivamente l’abbondanza di numerose molecole, tra cui vapore acqueo (H2O), metano (CH4), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), biossido di zolfo (SO2) e ammoniaca (NH3).
Questo spettro di trasmissione, catturato utilizzando i telescopi spaziali Hubble e James Webb, mostra la quantità di diverse lunghezze d’onda (colori) della luce stellare bloccate dall’atmosfera del pianeta extrasolare gigante gassoso WASP-107 b.
“Con NIRSpec otteniamo informazioni dirette sulla chimica di WASP-107 b”, ha affermato Stephan Birkmann dell’Agenzia spaziale europea e ricercatore principale delle osservazioni NIRSpec dello studio. “La spettroscopia fatta con NIRSpec ci consente di sondare la composizione atmosferica del pianeta e integra perfettamente le osservazioni degli strumenti MIRI e NIRCam”.
Gas torrido, interno caldo e nucleo massiccio
Entrambi gli spettri mostrano una sorprendente mancanza di metano nell’atmosfera di WASP-107 b: un millesimo della quantità prevista in base alla temperatura presunta.
“Questa è la prova che il gas caldo proveniente dalle profondità del pianeta deve mescolarsi vigorosamente con gli strati più freddi più in alto”, ha spiegato Sing. “Il metano è instabile alle alte temperature. Il fatto che ne abbiamo trovato così poco, anche se abbiamo rilevato altre molecole contenenti carbonio, ci dice che l’interno del pianeta deve essere significativamente più caldo di quanto pensassimo”.
Una probabile fonte di energia interna extra di WASP-107 b è il riscaldamento mareale causato dalla sua orbita leggermente ellittica. Con la distanza tra la stella e il pianeta che cambia continuamente durante l’orbita di 5,7 giorni, anche l’attrazione gravitazionale sta cambiando, allungando il pianeta e riscaldandolo.
I ricercatori avevano precedentemente proposto che il riscaldamento mareale potesse essere la causa del gonfiore di WASP-107 b, ma fino a quando non sono stati ottenuti i dati del Webb non c’erano prove.
Una volta stabilito che il pianeta ha abbastanza calore interno da agitare completamente l’atmosfera, i team hanno capito che gli spettri potevano anche fornire un nuovo modo per stimare la dimensione del nucleo.
“Se sappiamo quanta energia c’è nel pianeta, e sappiamo quanta parte del pianeta è costituita da elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e zolfo, rispetto alla quantità di idrogeno ed elio presente, possiamo calcolare quanta massa deve esserci all’interno del pianeta, cioè nel nucleo”, ha spiegato Daniel Thorngren, anch’egli della Johns Hopkins University.
Si arriva così a scoprire il presunto colpevole: il nucleo, che è almeno due volte più massiccio di quanto originariamente stimato.
Nel complesso, si scopre quindi che WASP-107 b non è così misterioso come sembrava.
“I dati del Webb ci dicono che pianeti come WASP-107 b non dovevano formarsi in qualche modo strano con un nucleo piccolissimo e un enorme involucro gassoso”, ha spiegato Mike Line dell’Arizona State University. “Invece, possiamo prendere qualcosa di più simile a Nettuno, con molta roccia e meno gas, semplicemente aumentare la temperatura e aumentarla ancora per far tornare i conti e ricondurre la teoria a ciò che appare nella realtà.”
