Il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA ha appena ottenuto un altro primato: un ritratto molecolare e chimico dei cieli di un mondo lontano. Mentre Webb e altri telescopi spaziali, incluso il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, hanno precedentemente rivelato ingredienti isolati dell’atmosfera riscaldata di questo pianeta, le nuove letture forniscono un menu completo di atomi, molecole e persino segni di chimica attiva e nuvole. Gli ultimi dati danno anche un indizio di come queste nuvole potrebbero apparire da vicino: frammentate piuttosto che come un’unica coltre uniforme sul pianeta.
La gamma di strumenti altamente sensibili del telescopio è stata puntata sull’atmosfera di WASP-39 b, un “Saturno caldo” (un pianeta massiccio all’incirca quanto Saturno ma in un’orbita più stretta di Mercurio) in orbita attorno a una stella a circa 700 anni luce di distanza. Questo esopianeta delle dimensioni di Saturno è stato uno dei primi esaminati dal telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA quando ha iniziato le normali operazioni scientifiche. I risultati hanno entusiasmato la comunità scientifica degli esopianeti. Gli strumenti squisitamente sensibili di Webb hanno fornito un profilo dei costituenti atmosferici di WASP-39 b e identificato una pletora di contenuti, tra cui acqua, anidride solforosa, monossido di carbonio, sodio e potassio.
I risultati fanno ben sperare per la capacità degli strumenti di Webb di condurre l’ampia gamma di indagini sugli esopianeti – pianeti attorno ad altre stelle – sperate dalla comunità scientifica. Ciò include sondare le atmosfere di pianeti rocciosi più piccoli come quelli del sistema TRAPPIST-1.
“Abbiamo osservato l’esopianeta con diversi strumenti che insieme coprono un’ampia fascia dello spettro infrarosso e una panoplia di impronte chimiche inaccessibili fino al JWST”, ha detto Natalie Batalha, astronoma dell’Università della California, Santa Cruz, che ha contribuito e aiutato a coordinare la nuova ricerca. “Dati come questi sono un punto di svolta”.
La serie di scoperte è dettagliata in una serie di cinque nuovi articoli scientifici, tre dei quali sono in corso di stampa e due sono in fase di revisione. Tra le rivelazioni senza precedenti c’è il primo rilevamento nell’atmosfera di un esopianeta di anidride solforosa, una molecola prodotta da reazioni chimiche innescate dalla luce ad alta energia proveniente dalla stella madre del pianeta. Sulla Terra, lo strato protettivo di ozono nell’alta atmosfera si crea in modo simile.
“Questa è la prima volta che vediamo prove concrete di fotochimica – reazioni chimiche avviate dalla luce stellare energetica – su esopianeti”, ha affermato Shang-Min Tsai, ricercatore presso l’Università di Oxford nel Regno Unito e autore principale dell’articolo che spiega l’origine dell’anidride solforosa nell’atmosfera di WASP-39 b. “Vedo questa come una prospettiva davvero promettente per far progredire la nostra comprensione delle atmosfere degli esopianeti con [questa missione].”
Ciò ha portato a un altro primato: gli scienziati applicano modelli computerizzati di fotochimica a dati che richiedono una spiegazione completa di tale fisica. I conseguenti miglioramenti nella modellazione contribuiranno a costruire il know-how tecnologico necessario per interpretare i potenziali segni di abitabilità in futuro.
“I pianeti vengono scolpiti e trasformati orbitando all’interno del bagno di radiazione della stella ospite”, ha detto Batalha. “Sulla Terra, queste trasformazioni permettono alla vita di prosperare”.
La vicinanza del pianeta alla sua stella ospite, otto volte più vicina di quanto Mercurio sia al nostro Sole, lo rende anche un laboratorio per studiare gli effetti delle radiazioni delle stelle ospiti sugli esopianeti. Una migliore conoscenza della connessione stella-pianeta dovrebbe portare a una comprensione più profonda di come questi processi influenzano la diversità dei pianeti osservati nella galassia.
Altri costituenti atmosferici rilevati dal telescopio Webb includono sodio (Na), potassio (K) e vapore acqueo (H2O), a conferma di precedenti osservazioni del telescopio spaziale e terrestre, oltre a trovare ulteriori impronte digitali di acqua, a queste lunghezze d’onda maggiori, che non si sono mai visti.
Webb ha anche visto l’anidride carbonica (CO2) a una risoluzione più elevata, fornendo il doppio dei dati riportati dalle sue precedenti osservazioni. Nel frattempo, è stato rilevato il monossido di carbonio (CO), ma dai dati Webb erano assenti segni evidenti sia di metano (CH4) che di idrogeno solforato (H2S). Se presenti, queste molecole sono presenti a livelli molto bassi.
Per catturare questo ampio spettro dell’atmosfera di WASP-39 b, un team internazionale di centinaia di persone ha analizzato indipendentemente i dati da quattro delle modalità strumentali finemente calibrate del telescopio Webb.
“Avevamo previsto ciò che [il telescopio] ci avrebbe mostrato, ma era più preciso, più diversificato e più bello di quanto penso di aver effettivamente creduto che sarebbe stato”, ha detto Hannah Wakeford, astrofisica dell’Università di Bristol nel Regno Unito che studia le atmosfere degli esopianeti.
Avere un elenco così completo di ingredienti chimici nell’atmosfera di un esopianeta offre anche agli scienziati un assaggio dell’abbondanza di diversi elementi in relazione tra loro, come i rapporti carbonio-ossigeno o potassio-ossigeno. Ciò a sua volta fornisce informazioni su come questo pianeta – e forse altri – si è formato dal disco di gas e polvere che circonda la stella madre nei suoi anni più giovani.
L’inventario chimico di WASP-39 b suggerisce una storia di rotture e fusioni di corpi più piccoli chiamati planetesimi per creare un eventuale goliath di un pianeta.
“L’abbondanza di zolfo [rispetto] all’idrogeno ha indicato che il pianeta ha presumibilmente sperimentato un significativo accrescimento di planetesimi in grado di fornire [questi ingredienti] all’atmosfera”, ha affermato Kazumasa Ohno, un ricercatore di esopianeti della UC Santa Cruz che ha lavorato sui dati di Webb. “I dati indicano anche che l’ossigeno è molto più abbondante del carbonio nell’atmosfera. Ciò indica potenzialmente che WASP-39 b originariamente si è formato lontano dalla stella centrale.
Rivelando con precisione i dettagli dell’atmosfera di un esopianeta, gli strumenti del telescopio Webb hanno funzionato ben oltre le aspettative degli scienziati e promettono una nuova fase di esplorazione dell’ampia varietà di esopianeti nella galassia.
“Saremo in grado di vedere il quadro generale delle atmosfere degli esopianeti”, ha affermato Laura Flagg, ricercatrice presso la Cornell University e membro del team internazionale. “È incredibilmente eccitante sapere che tutto verrà riscritto. Questa è una delle parti migliori dell’essere uno scienziato.
