Le simulazioni forniscono una potenziale spiegazione per il misterioso divario nella distribuzione delle dimensioni delle super-Terre. Astronomi provenienti da Germania e Svizzera hanno scoperto prove di come emerga l’enigmatico divario nella distribuzione delle dimensioni degli esopianeti a circa due raggi terrestri. Le loro simulazioni al computer dimostrano che la migrazione dei cosiddetti sub-Nettuno ghiacciati nelle regioni interne dei loro sistemi planetari potrebbe spiegare questo fenomeno. Man mano che si avvicinano alla stella centrale, il ghiaccio d’acqua che evapora forma un’atmosfera che fa apparire i pianeti più grandi rispetto al loro stato congelato. Allo stesso tempo, i pianeti rocciosi più piccoli perdono gradualmente una parte del loro involucro gassoso originale, causando una riduzione del raggio misurato nel tempo.

Normalmente, i pianeti nei sistemi planetari evoluti, come il Sistema Solare, seguono orbite stabili attorno alla loro stella centrale.

Tuttavia, molte indicazioni suggeriscono che alcuni pianeti potrebbero allontanarsi dai loro luoghi di nascita durante la loro prima evoluzione migrando verso l’interno o verso l’esterno.

Questa migrazione planetaria potrebbe anche spiegare un’osservazione che ha lasciato perplessi i ricercatori per diversi anni: il numero relativamente basso di esopianeti con dimensioni circa due volte più grandi della Terra, noto come valle del raggio o gap. Al contrario, ci sono molti esopianeti più piccoli e più grandi di queste dimensioni.

Sei anni fa, una nuova analisi dei dati del telescopio spaziale Kepler ha rivelato una carenza di esopianeti con dimensioni intorno ai due raggi terrestri“, spiega Remo Burn, ricercatore di esopianeti presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg. È l’autore principale dell’articolo che riporta i risultati delineati in questo articolo, ora pubblicato su Nature Astronomy.

In effetti, noi, come altri gruppi di ricerca, abbiamo previsto sulla base dei nostri calcoli, anche prima di questa osservazione, che tale divario deve esistere“, spiega il co-autore Christoph Mordasini, membro del Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) PlanetS.

Dirige la Divisione di ricerca spaziale e scienze planetarie dell’Università di Berna. Questa previsione ha avuto origine durante il suo mandato come scienziato presso l’MPIA, che da molti anni svolge ricerche in questo campo insieme all’Università di Berna.

Il meccanismo più comunemente suggerito per spiegare l’emergere di una tale valle di raggio è che i pianeti potrebbero perdere una parte della loro atmosfera originale a causa dell’irradiazione della stella centrale, in particolare i gas volatili come l’idrogeno e l’elio.

Tuttavia, questa spiegazione trascura l’influenza della migrazione planetaria“, chiarisce Burn.

È stato stabilito da circa 40 anni che, in determinate condizioni, i pianeti possono muoversi verso l’interno e verso l’esterno attraverso i sistemi planetari nel corso del tempo.

L’efficacia di questa migrazione e la misura in cui influenza lo sviluppo dei sistemi planetari influisce sul suo contributo alla formazione della valle del raggio.

Due diversi tipi di esopianeti abitano la gamma di dimensioni che circonda il divario.

Da un lato, ci sono i pianeti rocciosi, che possono essere più massicci della Terra e sono quindi chiamati super-Terre.

D’altra parte, gli astronomi stanno scoprendo sempre più spesso i cosiddetti sub-Nettuno (anche mini-Nettuno) in sistemi planetari lontani, che sono, in media, leggermente più grandi delle super-Terre.

Tuttavia, non abbiamo questa classe di esopianeti nel Sistema Solare”, sottolinea Burn. “Ecco perché, ancora oggi, non siamo esattamente sicuri della loro struttura e composizione”.

Gli astronomi concordano ampiamente sul fatto che questi pianeti possiedono atmosfere significativamente più estese rispetto ai pianeti rocciosi

. Di conseguenza, la comprensione di come le caratteristiche di questi sub-Nettuni contribuiscano al gap del raggio è stata incerta.

Il divario potrebbe anche suggerire che questi due tipi di mondi si formino in modo diverso?

«Sulla base di simulazioni che abbiamo già pubblicato nel 2020, gli ultimi risultati indicano e confermano che, invece, l’evoluzione dei sub-Nettuni dopo la loro nascita contribuisce in modo significativo alla valle del radio osservata», conclude Julia Venturini dell’Università di Ginevra.

È membro della collaborazione PlanetS sopra menzionata e ha guidato lo studio del 2020.

Nelle regioni ghiacciate dei loro luoghi di nascita, dove i pianeti ricevono poca radiazione di calore dalla stella, i sub-Nettuno dovrebbero effettivamente avere dimensioni mancanti nella distribuzione osservata.

Mentre questi pianeti presumibilmente ghiacciati migrano più vicino alla stella, il ghiaccio si scioglie, formando infine una densa atmosfera di vapore acqueo.

Questo processo si traduce in uno spostamento dei raggi dei pianeti verso valori più grandi.

Dopo tutto, le osservazioni impiegate per misurare i raggi planetari non sono in grado di distinguere se la dimensione determinata è dovuta solo alla parte solida del pianeta o a un’atmosfera densa aggiuntiva.

Allo stesso tempo, come già suggerito nell’immagine precedente, i pianeti rocciosi si “restringono” perdendo la loro atmosfera. Nel complesso, entrambi i meccanismi producono una mancanza di pianeti con dimensioni intorno ai due raggi terrestri.

La ricerca teorica del gruppo di Berna-Heidelberg ha già fatto progredire in modo significativo la nostra comprensione della formazione e della composizione dei sistemi planetari in passato”, spiega il direttore dell’MPIA Thomas Henning. “L’attuale studio è, quindi, il risultato di molti anni di lavoro preparatorio congiunto e di costanti miglioramenti ai modelli fisici”.

Gli ultimi risultati derivano da calcoli di modelli fisici che tracciano la formazione dei pianeti e la successiva evoluzione. Comprendono i processi nei dischi di gas e polvere che circondano le giovani stelle che danno origine a nuovi pianeti.

Questi modelli includono l’emergere di atmosfere, la miscelazione di diversi gas e la migrazione radiale.

Al centro di questo studio c’erano le proprietà dell’acqua alle pressioni e alle temperature che si verificano all’interno dei pianeti e delle loro atmosfere“, spiega Burn.

Capire come si comporta l’acqua in un’ampia gamma di pressioni e temperature è fondamentale per le simulazioni.

Questa conoscenza è stata di qualità sufficiente solo negli ultimi anni.

È questa componente che permette un calcolo realistico del comportamento dei sub-Nettuno, spiegando così la manifestazione di estese atmosfere nelle regioni più calde.

È notevole come, come in questo caso, le proprietà fisiche a livello molecolare influenzino processi astronomici su larga scala come la formazione di atmosfere planetarie“, aggiunge Henning.

Se dovessimo espandere i nostri risultati alle regioni più fredde, dove l’acqua è liquida, questo potrebbe suggerire l’esistenza di mondi acquatici con oceani profondi“, dice Mordasini.

Tali pianeti potrebbero potenzialmente ospitare la vita e sarebbero obiettivi relativamente semplici per la ricerca di biomarcatori grazie alle loro dimensioni”.

Tuttavia, il lavoro in corso è solo una pietra miliare importante.

Sebbene la distribuzione dimensionale simulata corrisponda molto a quella osservata e la distanza del raggio sia nel posto giusto, i dettagli presentano ancora alcune incongruenze.

Ad esempio, troppi pianeti ghiacciati finiscono troppo vicini alla stella centrale nei calcoli.

Tuttavia, i ricercatori non percepiscono questa circostanza come uno svantaggio, ma sperano di saperne di più sulla migrazione planetaria in questo modo.

Anche le osservazioni con telescopi come il James Webb Space Telescope (JWST) o l’Extremely Large Telescope (ELT) in costruzione potrebbero essere d’aiuto.

Sarebbero in grado di determinare la composizione dei pianeti in base alle loro dimensioni, fornendo così un test per le simulazioni qui descritte.

© Thomas Müller (MPIA)