Scoperta l’acqua nella zona di formazione di esopianeti rocciosi

 

Le osservazioni di Webb trovano acqua per la prima volta nel disco interno attorno a una giovane stella con pianeti giganti.

Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, la collaborazione di ricerca MINDS guidata da MPIA ha scoperto acqua nella regione interna di un disco di gas e polvere attorno alla giovane stella PDS 70.

Gli astronomi si aspettano che i pianeti terrestri si formino in quella zona. Questa è la prima rilevazione di questo tipo in un disco che ospita almeno due pianeti.

Qualsiasi pianeta roccioso prodotto nel disco interno trarrebbe beneficio da un sostanziale serbatoio d’acqua locale, migliorando le possibilità di abitabilità in seguito.

Questa scoperta offre la prova di un meccanismo per fornire acqua a pianeti potenzialmente abitabili già durante la loro formazione, oltre ai successivi impatti di asteroidi portatori d’acqua.

L’acqua è essenziale per la vita sulla Terra. Tuttavia, gli scienziati discutono su come abbia raggiunto la Terra e se questo processo potrebbe anche rendere abitabili gli esopianeti rocciosi attorno ad altre stelle.

Il meccanismo preferito è una fornitura da parte di asteroidi portatori d’acqua che bombardano la superficie di un giovane pianeta.

“Ora potremmo aver trovato prove che l’acqua potrebbe anche servire come uno degli ingredienti iniziali dei pianeti rocciosi ed essere disponibile alla nascita”, dice Giulia Perotti, astronoma presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania.

È l’autrice principale di un articolo di ricerca che apparirà sulla rivista Nature che riporta la rilevazione di acqua nel disco di formazione planetaria della giovane stella PDS 70, a circa 370 anni luce di distanza.

Osservazioni con MIRI (Mid-InfraRed Instrument) a bordo del James Webb Space Telescope (JWST) hanno scoperto acqua vicino al centro del disco, vicino alla stella ospite PDS 70.

Nel sistema solare, questa è la regione in cui i pianeti rocciosi orbitano attorno al Sole. Secondo l’analisi, l’acqua è sotto forma di vapore caldo, ad una temperatura di circa 330 gradi Celsius (600 Kelvin).

“Questa scoperta è estremamente eccitante, in quanto sonda la regione in cui si formano tipicamente pianeti rocciosi simili alla Terra”, sottolinea il direttore dell’MPIA Thomas Henning.

È co-autore dell’articolo, Co-PI (ricercatore principale) di MIRI, e il PI del programma MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey).

MINDS è un programma JWST a tempo garantito che coinvolge istituti di ricerca di 11 paesi europei. Questa indagine mira a identificare le proprietà dei dischi fatti di gas e polvere attorno alle giovani stelle, che possono insegnarci le condizioni che determinano la composizione dei pianeti che potenzialmente si formano lì.

PDS 70 è il primo disco relativamente vecchio – circa 5,4 milioni di anni – dove gli astronomi hanno trovato acqua.

Nel corso del tempo, il contenuto di gas e polvere dei dischi di formazione planetaria diminuisce. O la radiazione della stella centrale o il vento rimuovono materiale come polvere e gas, oppure la polvere cresce in oggetti più grandi che alla fine formano pianeti.

Poiché studi precedenti non sono riusciti a rilevare acqua nelle regioni centrali di dischi evoluti in modo simile, gli astronomi sospettavano che potesse non sopravvivere alla dura radiazione stellare, portando ad ambienti rocciosi secchi di formazione planetaria.

Osservare PDS 70 con MIRI a bordo del JWST è stata la chiave per sfidare questa ipotesi. Di conseguenza, i perimetri interni dei dischi evoluti e impoveriti di polvere potrebbero non essere così asciutti.

Se è così, molti pianeti terrestri che si formano in quelle zone potrebbero nascere con un ingrediente chiave per sostenere la vita.

Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora trovato alcun pianeta vicino al centro del disco PDS 70 finora. Invece, gli astronomi hanno rilevato due pianeti giganti gassosi più lontani, PDS 70 b e c.

Hanno accumulato polvere e gas circostanti mentre orbitavano attorno alla loro stella ospite durante la loro crescita, creando un’ampia lacuna anulare quasi priva di qualsiasi materiale rilevabile.

Tuttavia, qualsiasi pianeta roccioso che si formi in un ambiente ricco di acqua più vicino alla stella trarrebbe beneficio da un approvvigionamento idrico all’inizio del loro ciclo di vita.

Pertanto, oltre all’acqua trasportata ai pianeti rocciosi inizialmente asciutti attraverso un lungo processo che coinvolge gli asteroidi come un sistema di trasporto cosmico in qualche modo casuale, questo nuovo risultato apre la porta a un meccanismo potenzialmente sostenibile che fornisce acqua ai pianeti già alla nascita.

Non è difficile immaginare che un tale scenario potrebbe migliorare le possibilità di trovare pianeti rocciosi abitabili con molta acqua per sostenere la vita.

I progressi del programma MINDS alla fine mostreranno se l’acqua è comune nelle zone terrestri di formazione planetaria dei dischi evoluti attorno a giovani stelle o se PDS 70 è solo un’eccezione.

Poiché la presenza di acqua è stata in qualche modo inaspettata, il team di MINDS sta studiando diversi scenari per spiegare la loro scoperta.

Una possibilità implica che l’acqua sia un residuo di una nebulosa inizialmente ricca d’acqua che precede lo stadio del disco.

L’acqua è abbastanza comune, in particolare nel suo stato congelato, coprendo minuscole particelle di polvere.

Quando viene sottoposta a calore vicino a una stella in formazione, l’acqua evapora e si mescola con gli altri gas.

Sfortunatamente, le molecole d’acqua sono piuttosto fragili e si rompono in costituenti più piccoli come l’idrogeno e l’ossigeno quando vengono colpite dalla dannosa radiazione UV della stella vicina.

Tuttavia, il materiale circostante come la polvere e le molecole d’acqua stesse fungono da scudo protettivo.

Di conseguenza, almeno una parte dell’acqua rilevata vicino a PDS 70 potrebbe essere sopravvissuta alla distruzione.

Un’altra fonte potrebbe essere il gas che entra dai bordi esterni del disco PDS 70. In determinate circostanze, l’ossigeno e l’idrogeno gassoso possono combinarsi e formare vapore acqueo.

Inoltre, la resistenza del gas in movimento può trascinare le particelle di polvere ricche d’acqua che migrano dall’anello di polvere esterno prominente.

La stella centrale è così debole che non può far evaporare il ghiaccio d’acqua alla distanza di quell’anello. Solo quando i grani di polvere entrano nel disco interno vicino alla stella, il ghiaccio si trasforma in un gas.

“La verità probabilmente sta in una combinazione di tutte queste opzioni”, dice Perotti. “Tuttavia, è probabile che un meccanismo svolga un ruolo decisivo nel sostenere il serbatoio d’acqua del disco PDS 70. Il compito futuro sarà quello di scoprire quale sia”.

JWST e MIRI sono strumenti potenti. Tuttavia, forniscono solo alcuni aspetti dell’intero quadro. Come un dipinto che ha bisogno di molti colori diversi per trasmettere il suo messaggio, gli astronomi applicano diversi tipi di osservazioni e coprono una vasta gamma di lunghezze d’onda per ottenere informazioni e completare la loro comprensione.

In questo caso, il team ha utilizzato lo spettrografo di MIRI per scomporre la radiazione infrarossa ricevuta da PDS 70 in firme di piccole gamme di lunghezze d’onda, simile a distinguere un singolo colore in molte tonalità diverse.

In questo modo, il team ha isolato una grande quantità di singole firme d’acqua che hanno usato per calcolare temperature e densità.

Gli astronomi hanno già ottenuto ulteriori osservazioni con telescopi terrestri per completare il quadro. Inoltre, stanno aspettando con impazienza un’altra serie di osservazioni JWST che forniscano immagini dettagliate del disco PDS 70 interno.

E forse, la sua struttura rivelerà indizi di ulteriori pianeti terrestri o dei sub-Nettuno un po ‘più grandi che si formano all’interno del serbatoio d’acqua.

 

Immagine: MPIA