Utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST), un team di astronomi, tra cui scienziati del MPIA, ha costruito una mappa della temperatura globale dell’esopianeta gigante gassoso caldo WASP-43b. La stella madre vicina illumina perennemente un emisfero, aumentando le temperature a 1250 gradi Celsius. Nel frattempo, la notte eterna avvolge il lato opposto. I venti violenti trasportano l’aria calda rovente verso la notte, dove si raffredda a 600 gradi, permettendo alle nuvole di formarsi e coprire l’intero emisfero. Queste tempeste compromettono le reazioni chimiche a tal punto che il metano può a malapena formarsi, anche se dovrebbe essere abbondante in condizioni più calme.
I gioviani caldi sono esopianeti giganti gassosi estremi che orbitano intorno alle loro stelle ospiti nelle immediate vicinanze, portando a diverse proprietà esotiche per quanto riguarda la temperatura, la densità, la composizione, la chimica e il tempo.
Con l’avvento di telescopi rivoluzionariamente sensibili, come il James Webb Space Telescope (JWST), gli astronomi hanno iniziato a studiare le loro atmosfere in grande dettaglio.
Una collaborazione internazionale di astronomi, il team JTEC-ERS (Transiting Exoplanet Early Release Science), ha osservato il caldo Giove WASP-43b con il Mid-Infrared Instrument (MIRI) del JWST per studiarne il clima.
I risultati di questa indagine, condotta da Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, USA), sono stati pubblicati su Nature Astronomy.
Un mondo estremo diverso da qualsiasi altra cosa nel Sistema Solare
Il risultato è una mappa che delinea la distribuzione globale della temperatura derivata dalla luce infrarossa emessa da WASP-43b in risposta all’irradiazione della sua stella ospite.
Coprendo una gamma spettrale sensibile ai materiali caldi, MIRI funziona in modo simile a un termometro senza contatto utilizzato per misurare la temperatura corporea, ma su grandi distanze, pari a 280 anni luce per WASP-43b.
In questa mappa, le temperature misurate sono comprese tra 600 e 1250 gradi Celsius.
Al contrario, utilizzando osservazioni comparabili, Giove, il gigante gassoso del Sistema Solare, raggiunge i -135 gradi.
I venti trasportano l’aria nell’emisfero opposto, dove si raffredda nella notte eterna. Tuttavia, su WASP-43b, questi venti sono estremamente violenti, con velocità del vento che raggiungono quasi 9000 km/h, che è al di là di qualsiasi cosa a cui assistiamo nel Sistema Solare. In confronto, anche i venti più forti di Giove non sono altro che una brezza mite.
Vapore acqueo, nubi di roccia liquida e una sorprendente mancanza di metano
“Con Hubble, abbiamo potuto vedere chiaramente che c’è vapore acqueo sul lato del giorno. Sia Hubble che Spitzer hanno suggerito che potrebbero esserci nuvole sul lato notturno”, ha spiegato Taylor Bell.
“Ma avevamo bisogno di misurazioni più precise da parte del JWST per iniziare davvero a mappare la temperatura, la copertura nuvolosa, i venti e la composizione atmosferica più dettagliata in tutto il pianeta”.
Le osservazioni del JWST hanno rilevato che il contrasto di temperatura tra il lato diurno e quello notturno è più forte di quanto ci si aspetterebbe per un’atmosfera priva di nuvole.
I calcoli dei modelli confermano che il lato notturno del pianeta è avvolto da uno spesso strato di nuvole in alto nell’atmosfera, che blocca gran parte della radiazione infrarossa dal basso che altrimenti vedremmo.
I tipi esatti di nuvole sono ancora sconosciuti. Chiaramente, non saranno nuvole d’acqua come quelle sulla Terra, per non parlare delle nubi di ammoniaca che vediamo su Giove, poiché il pianeta è troppo caldo per la condensazione dell’acqua e dell’ammoniaca.
Invece, è più probabile che le nuvole fatte di rocce e minerali siano presenti a queste temperature.
Quindi, dovremmo aspettarci nuvole fatte di goccioline di roccia liquida. D’altra parte, il lato diurno più caldo di WASP-43b sembra essere privo di nuvole.
Per sondare la composizione atmosferica in modo più dettagliato, il team ha prodotto spettri, cioè ha scomposto la luce infrarossa ricevuta in minuscole sezioni di lunghezza d’onda, simili a un arcobaleno che rivela le componenti di colore della luce solare.
Questo metodo ha permesso loro di identificare le firme di singoli composti chimici che irradiano a lunghezze d’onda specifiche. Di conseguenza, gli astronomi hanno confermato le precedenti misurazioni del vapore acqueo, ma ora sull’intero pianeta.
Hubble è stato in grado di studiare solo il lato diurno, poiché il lato notturno era troppo scuro per riconoscere le molecole lì. JWST, con la sua maggiore sensibilità, ora completa il quadro.
“Con la nuova potenza osservativa di JWST, WASP-43b è stato svelato con un dettaglio senza precedenti”, ha detto Laura Kreidberg, direttrice del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania.
È co-autrice dell’articolo di ricerca sottostante e ha esplorato il pianeta per un decennio. “Vediamo un mondo complesso e inospitale, con venti furiosi, enormi sbalzi di temperatura e nuvole a chiazze probabilmente fatte di goccioline di roccia. WASP-43b è un promemoria della vasta gamma di climi possibili sugli esopianeti e dei molti modi in cui la Terra è speciale”.
Osservazione di una giostra planetaria
Gli astronomi sfruttano un effetto secondario per studiare il pianeta in dettaglio. Si consideri Venere che cambia la sua illuminazione, assomigliando alle fasi lunari, durante la sua orbita attorno al Sole.
Gli esopianeti in transito presentano diverse fasi di emissione infrarossa più o meno allo stesso modo, a seconda di come la stella riscalda il lato diurno.
Osservando il graduale cambiamento delle proporzioni che vediamo degli emisferi caldo e freddo si ottiene un modello caratteristico di come la luminosità infrarossa misurata del pianeta varia nel tempo.
L’analisi di questo minuscolo segnale, la cosiddetta curva di fase, che gli astronomi hanno ricevuto da WASP-43b ha permesso loro di costruire la mappa della temperatura e localizzare i gas che compongono l’atmosfera del pianeta.
Il futuro è luminoso nell’infrarosso
Uno studio di follow-up condotto da un altro team guidato dall’ex scienziato MPIA Stephan Birkmann (Agenzia Spaziale Europea, ESA) esaminerà WASP-43b con il Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) del JWST.
Queste misurazioni saranno sensibili al monossido di carbonio gassoso che dovrebbe essere prevalente in tutta l’atmosfera. Inoltre, la copertura estesa della lunghezza d’onda migliorerà la fedeltà della mappa di temperatura MIRI e aiuterà a studiare la distribuzione e la composizione delle nuvole in modo più preciso.
Immagine: © T. Müller (MPIA/HdA)
