Gli astronomi trovano un eso-Giove, e sembra che abbia nuvole

Gli astronomi hanno utilizzato il James Webb Space Telescope per studiare l’atmosfera di un massiccio analogo di Giove.: Sorprendentemente, le osservazioni indicano la presenza di nuvole d’acqua e ghiaccio – i modelli precedenti erano troppo semplici! Osservazioni e analisi forniscono un test per alcune sfide nell’osservare una “seconda Terra”.

 

 

 

Un team di astronomi guidato da Elisabeth Matthews presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) ha fatto una scoperta che evidenzia i limiti della maggior parte dei modelli attuali di atmosfere degli esopianeti: nuvole di ghiaccio d’acqua su un lontano esopianeta simile a Giove chiamato Epsilon Indi Ab.

Il modo in cui sono state effettuate le osservazioni ha implicazioni più ampie per la ricerca sugli esopianeti: rappresenta un passo immediato interessante sul percorso verso la ricerca e la caratterizzazione di un esopianeta analogo alla Terra.

Passo dopo passo verso una seconda Terra

La ricerca sugli esopianeti ha un ambizioso obiettivo a lungo termine: in un momento entro i prossimi decenni, gli astronomi sperano di poter rilevare tracce di vita su un esopianeta.

Nel percorso verso questo obiettivo, la ricerca sugli esopianeti ha attraversato diverse fasi.

Nella prima fase della ricerca, dal 1995 al 2022 circa, il principale obiettivo dei ricercatori sugli esopianeti era rilevare sempre più esopianeti, utilizzando metodi indiretti che fornivano informazioni sulle masse di alcuni esopianeti, i diametri di altri e, in alcuni casi, sia la massa che il diametro.

Quando il James Webb Space Telescope (JWST) ha iniziato a operare seriamente nel 2022, la ricerca sugli esopianeti è entrata in una seconda fase: informazioni dettagliate e di alta qualità sulle atmosfere di molti esopianeti sono diventate disponibili per un numero considerevole di pianeti, e i ricercatori hanno iniziato a ricostruire le proprietà di tali atmosfere in modo dettagliato.

Questo è ancora almeno uno stadio lontano dalle ricerche realistiche di vita su esopianeti, che si prevede richiederanno la prossima generazione di telescopi spaziali.

Con il nuovo studio, gli astronomi stanno esplorando alcuni aspetti di questi metodi di livello superiore – anche se non ancora per un pianeta come la Terra. Elisabeth Matthews (Max Planck Institute for Astronomy), autrice principale dello studio, afferma: “Il JWST ci sta finalmente permettendo di studiare in dettaglio i pianeti analoghi del sistema solare.

Se fossimo alieni, a diversi anni luce di distanza, e guardando indietro al Sole, il JWST sarebbe il primo telescopio che ci permetterebbe di studiare Giove in dettaglio. Per studiare la Terra in dettaglio, avremmo però bisogno di telescopi molto più avanzati.”

Elusivi exo-Giovi

Ma per quanto siano straordinari i risultati del JWST sulle atmosfere degli esopianeti, studiare gli analoghi di Giove del nostro Sistema Solare si è rivelato sorprendentemente difficile.

Quasi tutti i giganti gassosi studiati finora con il JWST differiscono da Giove in quanto sono molto, molto più caldi – perché il metodo più comune di studio delle atmosfere degli esopianeti funzioni, il pianeta deve passare davanti alla sua stella ospite dal punto di vista di un osservatore sulla Terra, e la probabilità di questa configurazione è molto più alta quando il pianeta è più vicino alla sua stella, il che a sua volta rende il pianeta relativamente caldo. Il nuovo studio di Elisabeth Matthews e dei suoi colleghi utilizza una tecnica diversa.

Questo è il periodo in cui gli osservatori si sono avvicinati di più a studiare un analogo di Giove – e almeno una sorpresa ha offerto!

Matthews e i suoi colleghi usarono lo strumento a medio infrarosso MIRI del JWST per ottenere immagini dirette del pianeta Epsilon Indi Ab.

Le convenzioni di denominazione degli esopianeti sono tali che questa designazione indica il primo pianeta scoperto a orbitare attorno alla stella Epsilon Indi A nella costellazione dell’Indo (nel cielo australe).

Bhavesh Rajpoot, dottorando presso il Max Planck Institute for Astronomy che ha contribuito allo studio, afferma: “Questo pianeta ha una massa considerevolmente maggiore di Giove – il nuovo studio fissa la sua massa a 7,6 masse di Giove – ma il diametro è circa lo stesso del suo cugino del sistema solare.”

Un Giove più massiccio, leggermente più caldo

Epsilon Indi Ab è circa quattro volte più distante dalla sua stella centrale rispetto a quanto Giove è dal Sole. La stella Epsilon Indi A stessa è un po’ meno massiccia e un po’ meno calda del nostro Sole.

Questo rende la temperatura superficiale di Epsilon Indi Ab molto bassa, circa 200-300 Kelvin (tra –70 e +20 gradi Celsius).

Il motivo per cui il pianeta è leggermente più caldo di Giove (140 K) è che c’è ancora molto calore residuo dalla fase di formazione del pianeta. Nei prossimi miliardi di anni, Epsilon Indi Ab si raffredderà costantemente, diventando infine più fredda di Giove.

Gli astronomi usarono il coronagrafo dello strumento MIRI per bloccare la luce della stella centrale, che altrimenti avrebbe oscurato la luce molto più fioca del pianeta.

Successivamente hanno scattato un’immagine attraverso un filtro molto particolare: 11,3 μm, che si trova appena fuori dalla regione della lunghezza d’onda vicina a 10,6 μm caratteristica delle molecole di ammoniaca NH₃.

Il confronto con le immagini a 10,6 μm che Matthews e il suo team avevano già scattato nel 2024 ha permesso agli astronomi di stimare la quantità di ammoniaca presente. (Tra l’altro, sia le ruote meccaniche del filtro che posizionano il coronagrafo sia il filtro davanti alla telecamera MIRI furono costruite presso il MPIA, uno dei contributi tedeschi al JWST.)

 

Prove sorprendenti della presenza di nuvole

Per Giove, sia il gas ammoniaco che le nubi di ammoniaca dominano gli strati superiori dell’atmosfera visibili nelle osservazioni.

Date le sue proprietà, si pensava che Epsilon Indi Ab contenesse enormi quantità di gas ammoniaca, anche se non nuvole di ammoniaca.

Sorprendentemente, il confronto fotometrico ha mostrato un po’ meno ammoniaca del previsto. La spiegazione migliore che Matthews e i suoi colleghi trovarono per questo deficit fu la presenza di spesse ma frammentate nuvole di acqua di ghiaccio, simili alle nubi cirri ad alta quota nell’atmosfera terrestre – una complicazione inaspettata!

Nell’interpretare osservazioni di questo tipo, gli astronomi confrontano i loro dati con le simulazioni delle atmosfere planetarie.

Ma la maggior parte dei modelli pubblicati trascura di includere le nuvole, poiché la presenza di nuvole rende il calcolo molto più complicato – chiaramente qualcosa che i teorici dovranno risolvere! James Mang (University of Texas at Austin), coautore dello studio, afferma: “È un grande problema da avere, e riflette l’enorme progresso che stiamo facendo grazie al JWST. Ciò che un tempo sembrava impossibile da rilevare ora è a portata di mano, permettendoci di sondare la struttura di queste atmosfere, inclusa la presenza di nuvole. Questo rivela nuovi strati di complessità che i nostri modelli stanno ora iniziando a catturare, e apre la porta a una caratterizzazione ancora più dettagliata di questi mondi freddi e lontani.”

Un’opportunità per il Telescopio Spaziale Roman

Dal lato positivo, c’è un’opportunità imminente per osservare le nuvole di ghiaccio d’acqua, che sono molto riflettenti direttamente: il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, di cui MPIA è partner, è previsto per il lancio tra il 2026 e il 2027 e dovrebbe essere adatto proprio a questo tipo di osservazione.

Nel frattempo, Matthews e i suoi colleghi stanno facendo domanda per il tempo di osservazione del JWST per individuare ulteriori analoghi freddi di Giove.

E mentre Matthews e altri astronomi imparano di più sugli exo-Giovi freddi, le loro tecniche di osservazione stanno gettando le basi che, se tutto andrà bene, aiuteranno i futuri osservatori a puntare pianeti simili alla Terra, alla ricerca di vita.

Immagine: © E. C. Matthews, MPIA / T. Müller, HdA