L’esopianeta Trappist-1 b ha un’atmosfera?

Recenti misurazioni con il telescopio spaziale JWST hanno messo in dubbio l’attuale comprensione della natura dell’esopianeta Trappist-1 b. Fino ad ora, si pensava che fosse un pianeta roccioso scuro senza atmosfera, modellato da un impatto cosmico di radiazioni e meteoriti lungo miliardi di anni. Sembra essere vero il contrario. 

 

 

 

Trappist-1 b è uno dei sette pianeti rocciosi in orbita attorno alla stella Trappist-1, situata a 40 anni luce di distanza.

Il sistema planetario è unico perché consente agli astronomi di studiare sette pianeti simili alla Terra da una distanza relativamente ravvicinata, tre dei quali nella cosiddetta zona abitabile.

Questa è l’area in un sistema planetario in cui un pianeta potrebbe avere acqua liquida sulla superficie. Finora, dieci programmi di ricerca hanno puntato questo sistema con il James Webb Space Telescope (JWST) per 290 ore.

L’attuale studio, in cui sono coinvolti in modo significativo i ricercatori del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, è stato condotto da Elsa Ducrot del Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) di Parigi, in Francia.

Questo studio utilizza le misurazioni della radiazione infrarossa termica – essenzialmente la radiazione termica – del pianeta Trappist-1 b con MIRI (Mid-Infrared Imager) presso il JWST ed è stato ora pubblicato sulla rivista Nature Astronomy.

Include i risultati dell’anno scorso, su cui si basavano le precedenti conclusioni, che descrivono Trappist-1 b come un pianeta roccioso scuro senza atmosfera.

 

La crosta di Trappist-1 b potrebbe essere geologicamente attiva

“Tuttavia, l’idea di un pianeta roccioso con una superficie fortemente alterata senza atmosfera è incoerente con le misurazioni attuali”, afferma l’astronomo dell’MPIA Jeroen Bouwman, che è stato co-responsabile del programma di osservazione.

“Pertanto, pensiamo che il pianeta sia coperto da materiale relativamente invariato”.

Di solito, la superficie è alterata dalla radiazione della stella centrale e dagli impatti dei meteoriti.

Tuttavia, i risultati suggeriscono che la roccia sulla superficie ha al massimo circa 1000 anni, significativamente meno del pianeta stesso, che si stima risalga a diversi miliardi di anni fa.

Ciò potrebbe indicare che la crosta del pianeta è soggetta a cambiamenti drammatici, che potrebbero essere spiegati da vulcanismo estremo o tettonica a placche.

Anche se al momento uno scenario del genere è ancora ipotetico, è comunque plausibile. Il pianeta è abbastanza grande da poter trattenere il calore residuo dalla sua formazione, come con la Terra.

L’effetto mareale della stella centrale e degli altri pianeti può anche deformare Trappist-1 b in modo che l’attrito interno risultante generi calore, simile a quello che vediamo nella luna di Giove Io.

Inoltre, sarebbe concepibile il riscaldamento induttivo da parte del campo magnetico della stella vicina.

 

Dopotutto, Trappist-1 b potrebbe avere un’atmosfera?

“I dati consentono anche una soluzione completamente diversa”, afferma Thomas Henning, direttore emerito dell’MPIA. È stato uno dei principali artefici dello strumento MIRI.

“Contrariamente alle idee precedenti, ci sono le condizioni in cui il pianeta potrebbe avere un’atmosfera spessa ricca di anidride carbonica (CO₂)”, aggiunge. Un ruolo chiave in questo scenario è la foschia dei composti idrocarburici, cioè lo smog, nell’atmosfera superiore.

I due programmi osservativi, che si completano a vicenda nel presente studio, sono stati progettati per misurare la luminosità di Trappist-1 b a diverse lunghezze d’onda nell’intervallo dell’infrarosso termico (12,8 e 15 micrometri).

La prima osservazione è stata sensibile all’assorbimento della radiazione infrarossa del pianeta da parte di uno strato di CO₂. Tuttavia, non è stato misurato alcun oscuramento, portando i ricercatori a concludere che il pianeta non ha atmosfera.

Il team di ricerca ha eseguito calcoli di modelli che mostrano che la foschia può invertire la stratificazione della temperatura di una atmosfera ricca di  CO₂.

In genere, gli strati inferiori a livello del suolo sono più caldi di quelli superiori a causa della pressione più elevata.

Quando la foschia assorbe la luce stellare e si riscalda, riscalderebbe invece gli strati atmosferici superiori, supportati da un effetto serra. Di conseguenza, l’anidride carbonica emette essa stessa la radiazione infrarossa.

Vediamo qualcosa di simile accadere su Titano, la luna di Saturno. Il suo strato di foschia si forma molto probabilmente sotto l’influenza della radiazione ultravioletta (UV) del sole proveniente dai gas ricchi di carbonio nell’atmosfera.

Un processo simile potrebbe verificarsi su Trappist-1 b a causa della sua stella che emette una notevole radiazione UV.

Anche se i dati si adattano a questo scenario, gli astronomi lo considerano ancora meno probabile in confronto.

Da un lato, è più difficile, anche se non impossibile, produrre composti idrocarburici che formano una foschia da un’atmosfera ricca di CO₂.

L’atmosfera di Titano, tuttavia, è costituita principalmente da metano. D’altra parte, il problema rimane che le stelle nane rosse attive, che includono Trappist-1, producono radiazioni e venti che possono facilmente erodere le atmosfere dei pianeti vicini nel corso di miliardi di anni.

Trappist-1 b è un vivido esempio di quanto sia difficile rilevare e determinare le atmosfere dei pianeti rocciosi, anche per il JWST. Sono sottili rispetto ai pianeti gassosi e producono solo deboli firme misurabili.

Le due osservazioni per studiare Trappist-1 b, che hanno fornito valori di luminosità a due lunghezze d’onda, sono durate quasi 48 ore, il che non è stato sufficiente per determinare con certezza se il pianeta ha un’atmosfera.

 

Eclissi e occultazioni come strumento

Le osservazioni hanno sfruttato la leggera inclinazione del piano del pianeta rispetto alla nostra linea di vista verso Trappist-1.

Questo orientamento fa sì che i sette pianeti passino davanti alla stella e la attenuino leggermente durante ogni orbita.

Di conseguenza, ciò si traduce nell’apprendimento della natura e delle atmosfere dei pianeti in diversi modi.

La cosiddetta spettroscopia di transito ha dimostrato di essere un metodo affidabile.

Ciò comporta la misurazione dell’oscuramento di una stella da parte del suo pianeta, a seconda della lunghezza d’onda.

Oltre all’occultazione da parte del corpo planetario opaco, da cui gli astronomi determinano le dimensioni del pianeta, i gas atmosferici assorbono la luce stellare a lunghezze d’onda specifiche.

Da questo, possono dedurre se un pianeta ha un’atmosfera e in cosa consiste.

Sfortunatamente, questo metodo presenta degli svantaggi, soprattutto per i sistemi planetari come Trappist-1.

Le stelle nane rosse fredde mostrano spesso grandi macchie stellari e forti eruzioni, che influenzano in modo significativo la misurazione.

Gli astronomi aggirano in gran parte questo problema osservando invece il lato di un esopianeta riscaldato dalla stella nella luce infrarossa termica, come nell’attuale studio con Trappist-1 b.

Il lato diurno luminoso è particolarmente facile da vedere appena prima e dopo che il pianeta scompare dietro la stella.

La radiazione infrarossa rilasciata dal pianeta contiene informazioni sulla sua superficie e atmosfera. Tuttavia, tali osservazioni richiedono più tempo rispetto alla spettroscopia di transito.

Dato il potenziale di queste cosiddette misurazioni delle eclissi secondarie, la NASA ha recentemente approvato un ampio programma di osservazione per studiare le atmosfere dei pianeti rocciosi attorno a stelle vicine di piccola massa.

Questo straordinario programma, “Rocky Worlds”, include 500 ore di osservazione con il JWST.

Il team di ricerca prevede di essere in grado di ottenere una conferma definitiva utilizzando un’altra variante di osservazione.

Registra l’orbita completa del pianeta attorno alla stella, comprese tutte le fasi di illuminazione dal lato notturno buio quando passa davanti alla stella al lato diurno luminoso poco prima e dopo essere stato coperto dalla stella.

Questo approccio consentirà al team di creare una cosiddetta curva di fase che indica la variazione di luminosità del pianeta lungo la sua orbita. Di conseguenza, gli astronomi possono dedurre la distribuzione della temperatura superficiale del pianeta.

Il team ha già effettuato questa misurazione con Trappist-1 b. Analizzando come il calore è distribuito sul pianeta, possono dedurre la presenza di un’atmosfera.

Questo perché un’atmosfera aiuta a trasportare il calore dal lato diurno a quello notturno. Se la temperatura cambia bruscamente al passaggio tra i due lati, ciò indica l’assenza di atmosfera.

 

 

 

 

Immagine: Thomas Müller (HdA/MPIA)