L’universo continua a rivelare mondi alieni che sfidano i limiti delle nostre attuali conoscenze astrofisiche e ridefiniscono i modelli teorici legati alla formazione planetaria. Recentemente, un team internazionale di scienziati ha confermato l’esistenza di due dei corpi celesti più insoliti mai registrati nel catalogo cosmico. Si tratta di due esopianeti giganti, con dimensioni paragonabili a quelle di Giove, ma caratterizzati da una densità inferiore a quella dello zucchero filato. Questa eccezionale scoperta astronomica, pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), rappresenta un traguardo fondamentale per lo studio dei cosiddetti esopianeti super-puff (o pianeti super-soffici), corpi celesti estremamente rari e misteriosi che spingono la fisica planetaria verso territori ancora inesplorati. La ricerca ha visto la stretta collaborazione di numerosi istituti di livello mondiale, tra cui l’Università di Oxford e l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) in Italia.
Le incredibili caratteristiche fisiche di TOI-791 b e TOI-791 c
I due mondi alieni al centro dello studio, battezzati rispettivamente TOI-791 b e TOI-791 c, orbitano attorno a una stella di tipo spettrale F7, una stella nana leggermente più calda e massiccia del nostro Sole. L’intero sistema si trova a una distanza di circa 1.110 anni luce dalla Terra, situato all’interno dei confini della costellazione meridionale del Pesce Volante (Volans). I dati fisici emersi dalle analisi sono quasi difficili da credere per gli standard della fisica planetaria. Il pianeta più interno, TOI-791 b, ha una densità media di appena 0,038 grammi per centimetro cubo (g/cm³), pur possedendo un raggio quasi identico a quello di Giove. Il suo compagno più esterno, TOI-791 c, mostra una densità di soli 0,047 g/cm³, nonostante le sue dimensioni complessive superino persino quelle del maggiore gigante gassoso del nostro sistema solare. Per fare un confronto con parametri a noi familiari, la densità dello zucchero filato si attesta intorno ai 0,05 g/cm³, la Terra fa registrare una densità media di circa 5,5 g/cm³, mentre Giove raggiunge i 1,33 g/cm³. Di fatto, questi pianeti contengono pochissima materia distribuita in volumi immensi: il primo possiede appena il 3% della massa di Giove, mentre il secondo si ferma al 5,9%, posizionandosi ufficialmente tra i corpi celesti giganti a più bassa densità mai rilevati dall’uomo.
Il contributo della citizen science e i sette anni di osservazioni TESS
La strada che ha portato alla validazione scientifica di questa scoperta è stata eccezionalmente lunga, richiedendo ben otto anni di sforzi coordinati e l’analisi di una mole imponente di dati. I primi indizi della presenza di questi mondi piuma sono stati individuati non dagli algoritmi automatizzati, bensì dagli occhi attenti dei volontari del progetto Planet Hunters TESS, un’importante iniziativa di citizen science in cui appassionati e astrofili di tutto il mondo collaborano all’analisi delle curve di luce pubbliche della NASA. Il telescopio TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ha intercettato i candidati misurando le periodiche diminuzioni di luminosità della stella ospite, fenomeno tipico del metodo del transito. Poiché questi pianeti giganti possiedono orbite a lungo periodo, pari a circa 139 giorni per il pianeta b e 232 giorni per il pianeta c, il telescopio spaziale ha dovuto raccogliere dati per ben 1.122 giorni distribuiti nell’arco di sette anni prima di poter accumulare una statistica robusta e confermare le firme di questi transiti unici.
Dalle gelide notti dell’Antartide ai transiti record da terra
Una delle maggiori complessità metodologiche legate allo studio del sistema TOI-791 risiede nella durata straordinaria dei transiti planetari. Quando TOI-791 b o TOI-791 c si allineano perfettamente tra la propria stella e i nostri strumenti di misurazione, il loro passaggio davanti al disco stellare dura oltre 11 ore. Monitorare un evento continuo così esteso da una normale stazione osservativa terrestre è praticamente impossibile a causa della rotazione del nostro pianeta, che interrompe inevitabilmente la raccolta dati con il sorgere del sole. Per aggirare questo limite geografico e astronomico, il team di ricerca si è affidato al telescopio ASTEP (Antarctic Search for Transiting Exoplanets), situato presso la Stazione Concordia nei pressi del Polo Sud, nel cuore dell’Antartide. Sfruttando le condizioni estreme dell’inverno antartico, caratterizzato da mesi di oscurità perpetua e da un’atmosfera eccezionalmente limpida e stabile, i ricercatori sono riusciti a catturare i transiti nella loro interezza senza alcuna interruzione temporale. Si tratta dei transiti planetari continui più lunghi mai osservati interamente da una stazione terrestre, un risultato tecnico straordinario che ha fornito i dati decisivi per la validazione della scoperta.
Il segreto della massa svelato dalla risonanza orbitale
Oltre alla determinazione geometrica delle dimensioni tramite i transiti, la vera sfida scientifica risiedeva nel calcolo accurato della massa di corpi celesti così rarefatti. La chiave di volta è stata offerta da una configurazione dinamica eccezionalmente rara: i due pianeti sono bloccati in una risonanza orbitale quasi perfetta di 5:3. Questo significa che ogni volta che il pianeta interno compie cinque rivoluzioni complete attorno alla stella, il pianeta esterno ne porta a termine esattamente tre. Questa sincronia fa sì che i due corpi planetari si incontrino ciclicamente nello stesso punto dello spazio, esercitando una reciproca e potente attrazione gravitazionale. Tali interazioni ravvicinate alterano leggermente la regolarità delle loro orbite, provocando anticipi o ritardi nei transiti che possono raggiungere i 50 minuti. Attraverso lo studio dettagliato di queste variazioni dei tempi di transito (Transit Timing Variations o TTV), gli astronomi sono stati in grado di dedurre con precisione la massa di entrambi i pianeti e, di conseguenza, di confermare matematicamente la loro natura ultra-leggera.
Un rompicapo per i modelli di formazione planetaria
La scoperta di una simile coppia di giganti gassosi nello stesso sistema solare rappresenta un vero e proprio enigma per l’astronomia moderna. Ad oggi, su quasi 6.300 esopianeti confermati, meno di quaranta appartengono alla categoria dei super-puff, e i sistemi che ne ospitano più di uno si contano sulle dita di una mano. L’ipotesi scientifica prevalente suggerisce che questi mondi possiedano piccoli nuclei rocciosi o ghiacciati circondati da colossali involucri atmosferici ricchi di idrogeno ed elio. Tuttavia, i tradizionali modelli di formazione planetaria faticano a spiegare come sia possibile accumulare e, soprattutto, mantenere nel tempo atmosfere così espanse e volatili senza che la radiazione e i venti stellari della stella ospite le disperdano nello spazio profondo. Alcuni ricercatori ipotizzano che questi pianeti si siano originati nelle zone più fredde e periferiche del disco protoplanetario per poi migrare internamente, mentre altre teorie suggeriscono che l’apparente grande volume sia un’illusione ottica causata da complessi sistemi di anelli planetari o spessi strati di idrocarburi sospesi nell’alta atmosfera.
Verso il futuro: le prossime risposte dal James Webb Space Telescope
Gli autori dello studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society evidenziano un importante elemento di cautela: tutte le stime fisiche attuali derivano indirettamente dall’analisi geometrica dei transiti e dagli effetti gravitazionali della risonanza, e non da un’imaging diretto dei corpi celesti. Sebbene i modelli applicati siano solidi e robusti, per svelare l’esatta composizione chimica e strutturale di questi mondi “di zucchero filato” sarà necessario attendere le prossime campagne di osservazione. Il candidato principale per questo compito è il James Webb Space Telescope (JWST). Grazie alla spettroscopia di trasmissione ad altissima risoluzione nell’infrarosso, il JWST sarà in grado di analizzare la luce della stella TOI-791 mentre filtra attraverso le immense atmosfere di TOI-791 b e TOI-791 c. Solo allora sapremo se ci troviamo di fronte a veri e propri palloni di gas idrogeno o a mondi circondati da misteriose coltri di polvere. Quel che è certo è che questo sistema planetario si preannuncia come uno dei laboratori cosmici più affascinanti del decennio, ampliando i confini di ciò che riteniamo possibile nell’universo.
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