Nuove, straordinarie osservazioni condotte con il James Webb Space Telescope (JWST) hanno fornito indizi cruciali sulla formazione e l’origine dell’esopianeta WASP-121b, un gigante ultracaldo, gettando luce sulla sua affascinante storia di migrazione all’interno del suo sistema planetario. Le scoperte, frutto del lavoro di un team guidato dagli astronomi Thomas Evans-Soma e Cyril Gapp, si basano sull’individuazione di molecole chiave nell’atmosfera del pianeta: vapore acqueo, monossido di carbonio, monossido di silicio e, sorprendentemente, metano.
WASP-121b è un esopianeta estremo: orbita la sua stella ospite a una distanza minima, completando un’orbita in appena 30,5 ore. Questa vicinanza estrema comporta 2 emisferi distinti: uno diurno, perennemente esposto alla stella, dove le temperature superano i 3000 gradi Celsius, e uno notturno, dove le temperature scendono a “soli” 1500 gradi.
“Le temperature del lato diurno sono abbastanza alte da permettere ai materiali refrattari – solitamente composti solidi resistenti al forte calore – di esistere come componenti gassosi dell’atmosfera del pianeta“, ha spiegato Thomas Evans-Soma, astronomo affiliato al Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, e all’Università di Newcastle, in Australia, e autore principale dello studio pubblicato su Nature Astronomy.
Svelato il luogo di nascita di WASP-121b
L’analisi dell’abbondanza di queste molecole, che evaporano a temperature molto diverse, ha permesso di ricostruire indizi fondamentali sulla formazione e l’evoluzione del pianeta. “I materiali gassosi sono più facili da identificare rispetto a liquidi e solidi“, ha osservato Cyril Gapp, studente dell’MPIA e autore principale di un secondo studio pubblicato su The Astronomical Journal. “Dato che molti composti chimici sono presenti in forma gassosa, gli astronomi usano WASP-121b come laboratorio naturale per sondare le proprietà delle atmosfere planetarie“.
Il team ha concluso che WASP-121b ha probabilmente accumulato la maggior parte del suo gas in una regione sufficientemente fredda da mantenere l’acqua congelata, ma abbastanza calda da far sì che il metano (CH4) evaporasse e esistesse in forma gassosa. Tali condizioni, all’interno del disco di gas e polvere che circonda una giovane stella, si verificano a determinate distanze dove la radiazione stellare crea le temperature appropriate.
Incredibilmente, nel nostro Sistema Solare, una regione con condizioni simili si trova tra le orbite di Giove e Urano. Ciò suggerisce un’epica odissea per WASP-121b: dopo la sua formazione, avrebbe intrapreso un lungo viaggio dalle gelide regioni esterne verso il centro del sistema planetario, dove ora orbita pericolosamente vicino alla sua stella ospite.
La giovinezza turbolenta di WASP-121b
Il silicio è stato rilevato sotto forma di monossido di silicio (SiO) gassoso, ma originariamente è entrato nel pianeta tramite materiale roccioso, come il quarzo, immagazzinato in planetesimi – essenzialmente asteroidi – dopo che il pianeta aveva acquisito la maggior parte del suo inviluppo gassoso. La formazione dei planetesimi richiede tempo, indicando che questo processo si è verificato durante le fasi successive dello sviluppo planetario. “Le abbondanze relative di carbonio, ossigeno e silicio offrono indizi su come questo pianeta si è formato e ha acquisito il suo materiale“, ha aggiunto Thomas Evans-Soma.
La formazione planetaria inizia con particelle di polvere ghiacciata che si uniscono e crescono gradualmente in “ciottoli” di dimensioni da centimetri a metri. Questi attraggono gas e piccole particelle circostanti, accelerando la loro crescita e formando i semi dei futuri pianeti. La resistenza del gas circostante fa sì che i ciottoli in movimento spiraleggino verso l’interno, in direzione della stella. Durante questa migrazione, i loro ghiacci incorporati iniziano a evaporare nelle regioni interne più calde del disco.
Mentre i pianeti in formazione orbitano le loro stelle ospiti, possono crescere abbastanza da aprire significative lacune all’interno del disco protoplanetario. Ciò interrompe la deriva verso l’interno dei ciottoli e l’apporto di ghiacci incorporati, ma lascia gas sufficiente per costruire un’atmosfera estesa.
Nel caso di WASP-121b, ciò sembra essere avvenuto in una posizione dove i ciottoli di metano evaporavano, arricchendo il gas che il pianeta forniva di carbonio. Al contrario, i ciottoli d’acqua rimanevano congelati, bloccando l’ossigeno. Questo scenario spiega al meglio perché Evans-Soma e Gapp hanno osservato un rapporto carbonio-ossigeno più elevato nell’atmosfera del pianeta rispetto alla sua stella ospite. WASP-121b ha continuato ad attrarre gas ricco di carbonio dopo che il flusso di ciottoli ricchi di ossigeno si era interrotto, stabilendo la composizione finale del suo inviluppo atmosferico.
La rilevazione di metano
La rilevazione di abbondante metano sul lato notturno di WASP-121b ha rappresentato una sorpresa. A causa delle temperature estreme del lato diurno, il metano è altamente instabile e non dovrebbe essere presente in quantità rilevabili. Gli astronomi avevano previsto che il gas dal lato diurno avrebbe dovuto mescolarsi con quello del lato notturno più rapidamente di quanto la composizione del gas potesse adattarsi alle temperature più basse, portando a una quantità trascurabile di metano anche sul lato notturno.
Per spiegare questo risultato, il team propone che il gas metano debba essere rapidamente rifornito sul lato notturno per mantenere la sua elevata abbondanza. Un meccanismo plausibile implica forti correnti verticali che sollevano il gas metano dagli strati atmosferici inferiori, che sono ricchi di metano grazie alle temperature relativamente basse del lato notturno e all’elevato rapporto carbonio-ossigeno dell’atmosfera. “Ciò sfida i modelli dinamici degli esopianeti, che probabilmente dovranno essere adattati per riprodurre il forte mescolamento verticale che abbiamo scoperto sul lato notturno di WASP-121b“, ha affermato Evans-Soma.
Il ruolo del telescopio Webb
Il team ha utilizzato lo spettrografo nel vicino infrarosso (NIRSpec) del JWST per osservare WASP-121b durante la sua orbita completa attorno alla stella ospite. Man mano che il pianeta ruota sul proprio asse, la radiazione termica ricevuta dalla sua superficie varia, esponendo diverse porzioni della sua atmosfera irradiata al telescopio. Ciò ha permesso al team di caratterizzare le condizioni e la composizione chimica del lato diurno e notturno del pianeta.
Gli astronomi hanno anche acquisito osservazioni durante il transito del pianeta di fronte alla sua stella. Durante questa fase, parte della luce stellare filtra attraverso il bordo atmosferico del pianeta, lasciando impronte spettrali che rivelano la sua composizione chimica. Questo tipo di misurazione è particolarmente sensibile alla regione di transizione dove si mescolano i gas del lato diurno e notturno. “Lo spettro di trasmissione emergente ha confermato le rilevazioni di monossido di silicio, monossido di carbonio e acqua che erano state effettuate con i dati di emissione“, ha osservato Gapp. “Tuttavia, non siamo riusciti a trovare metano nella zona di transizione tra il lato diurno e quello notturno“.
Queste scoperte aprono nuove frontiere nella comprensione della formazione ed evoluzione degli esopianeti, evidenziando la straordinaria capacità del JWST di svelare i segreti di mondi lontani.
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