Da quando nel 1995 è stato scoperto il primo pianeta in orbita attorno a una stella diversa dal Sole, ci siamo resi conto che i pianeti e i sistemi planetari sono più diversi di quanto avessimo mai immaginato. Tali mondi distanti – esopianeti – ci danno l’opportunità di studiare come si comportano i pianeti in diverse situazioni. E conoscere le loro atmosfere è un pezzo cruciale del puzzle.
Il telescopio spaziale James Webb della Nasa è il più grande telescopio ad oggi nello spazio. Lanciato il giorno di Natale 2021, è lo strumento perfetto per indagare su questi mondi. Ora i miei colleghi ed io abbiamo usato il telescopio per la prima volta per svelare la composizione chimica di un esopianeta. E i dati, suggeriscono alcuni risultati sorprendenti.
Molti esopianeti sono troppo vicini alle loro stelle madri perché anche questo potente telescopio possa distinguerli. Ma possiamo usare il trucco di guardare mentre il pianeta passa davanti (transita) alla sua stella. Durante il transito, il pianeta blocca una piccola frazione della luce stellare e una frazione ancora più piccola della luce stellare viene filtrata attraverso gli strati esterni dell’atmosfera del pianeta.
I gas all’interno dell’atmosfera assorbono parte della luce, lasciando impronte digitali sulla luce stellare sotto forma di riduzione della luminosità a determinati colori o lunghezze d’onda. Il telescopio Webb è particolarmente adatto agli studi sull’atmosfera degli esopianeti perché è un telescopio a infrarossi. La maggior parte dei gas che si trovano in un’atmosfera, come il vapore acqueo e l’anidride carbonica, assorbono la luce infrarossa anziché la luce visibile.
Faccio parte di un team internazionale di scienziati di esopianeti che ha utilizzato il telescopio Webb per studiare un pianeta delle dimensioni di Giove chiamato WASP-39b. A differenza di Giove, tuttavia, questo mondo impiega solo pochi giorni per orbitare attorno alla sua stella, quindi viene letteralmente cotto, raggiungendo temperature superiori a 827°C. Questo ci offre l’opportunità perfetta per esplorare come si comporta un’atmosfera planetaria in condizioni di temperatura estreme.
Abbiamo usato il telescopio Webb per recuperare lo spettro più completo finora di questo affascinante pianeta. Il nostro lavoro rappresenta infatti il primo inventario chimico dell’atmosfera del pianeta.
Sapevamo già che la maggior parte dell’atmosfera di questo grande pianeta doveva essere una miscela di idrogeno ed elio, i gas più leggeri e più abbondanti dell’universo. E il telescopio Hubble ha precedentemente rilevato lì vapore acqueo, sodio e potassio.
Ora, siamo stati in grado di confermare il nostro rilevamento e produrre una misurazione della quantità di vapore acqueo. I dati suggeriscono anche che ci sono altri gas tra cui anidride carbonica, monossido di carbonio e, inaspettatamente, anidride solforosa.
Avere misurazioni di quanto di ciascuno di questi gas è presente nell’atmosfera significa che possiamo stimare le quantità relative degli elementi che compongono i gas: idrogeno, ossigeno, carbonio e zolfo.
WASP-39b sembra avere una quantità relativamente bassa di carbonio rispetto all’ossigeno, indicando che probabilmente si è formato a una distanza maggiore dalla stella dove avrebbe potuto assorbire facilmente acqua ghiacciata dal disco (aumentando il suo ossigeno), rispetto alla sua corrente orbita molto vicina. Se questo pianeta è migrato, potrebbe aiutarci a sviluppare le nostre teorie sulla formazione dei pianeti e sosterrebbe l’idea che anche i pianeti giganti nel nostro Sistema Solare abbiano fatto un bel po’ di movimento e scuotimento all’inizio della formazione del sistema solare.
Una chiave sulfurea
La quantità di zolfo che abbiamo rilevato rispetto all’ossigeno è piuttosto elevata per WASP-39b. Ci aspetteremmo che lo zolfo in un giovane sistema planetario sia più concentrato in frammenti di roccia e macerie che come gas atmosferico. Quindi questo indica che WASP-39b potrebbe aver subito una quantità insolita di collisioni con pezzi di roccia contenenti zolfo. Parte di quello zolfo verrebbe rilasciato come gas.
Nell’atmosfera di un pianeta, diverse sostanze chimiche reagiscono tra loro a velocità diverse a seconda di quanto è calda. Di solito, questi si stabilizzano in uno stato di equilibrio, con le quantità totali di ciascun gas che rimangono stabili mentre le reazioni si bilanciano a vicenda. Siamo riusciti a prevedere quali gas avremmo visto nell’atmosfera di WASP-39b per una serie di punti di partenza. Ma nessuno di loro ha trovato l’anidride solforosa, aspettandosi invece che lo zolfo fosse rinchiuso in un gas diverso, l’idrogeno solforato.
Il pezzo mancante del puzzle chimico era un processo chiamato fotochimica. Questo è quando le velocità di alcune reazioni chimiche sono guidate dall’energia dei fotoni – pacchetti di luce – provenienti dalla stella, piuttosto che dalla temperatura dell’atmosfera. Poiché WASP-39b è così caldo e le reazioni generalmente accelerano a temperature più elevate, non ci aspettavamo che la fotochimica fosse così importante come si è rivelata.
I dati suggeriscono che il vapore acqueo nell’atmosfera viene diviso dalla luce in ossigeno e idrogeno. Questi prodotti reagirebbero quindi con il gas idrogeno solforato, strappando infine l’idrogeno e sostituendolo con l’ossigeno per formare anidride solforosa.
Quali sono le prospettive per il telescopio Webb?
La fotochimica è ancora più importante sui pianeti più freddi: lo strato di ozono sul nostro pianeta si forma attraverso un processo fotochimico. Il telescopio Webb osserverà i mondi rocciosi nel sistema Trappist-1 durante il suo primo anno di funzionamento. Alcune di queste misurazioni sono già state effettuate e tutti questi pianeti hanno temperature più simili a quelle della Terra.
Alcuni potrebbero persino avere la temperatura giusta per avere acqua liquida in superficie e potenzialmente vita. Avere una buona comprensione di come la fotochimica influenza la composizione atmosferica sarà fondamentale per interpretare le osservazioni del telescopio Webb del sistema Trappist-1. Ciò è particolarmente importante poiché un apparente squilibrio chimico in un’atmosfera potrebbe suggerire la presenza di vita.
L’inventario chimico di WASP-39b ci ha mostrato quanto sia potente il telescopio Webb. Siamo all’inizio di un’era molto eccitante nella scienza degli esopianeti, quindi rimanete sintonizzati.
Autore
Joanna Barstow, The Open University
