Rilevare la quantità di zolfo in un sistema stellare distante permette ai ricercatori di intuire come si sono formati i pianeti, in particolare i giganti gassosi.
I giganti gassosi rappresentano una delle classi più affascinanti di pianeti, caratterizzati da masse elevate e da una composizione prevalentemente di idrogeno ed elio. A differenza dei pianeti terrestri, questi corpi celesti possiedono nuclei relativamente densi, ma mancano di una superficie solida definita, rendendo impossibile una “camminata” su di essi. Nel nostro sistema solare, Giove e Saturno costituiscono gli esempi più noti di giganti gassosi, ma osservazioni astronomiche hanno rilevato l’esistenza di numerosi esopianeti giganti gassosi distribuiti nella nostra galassia, alcuni dei quali superano di gran lunga le dimensioni di Giove.
Le caratteristiche
I giganti gassosi più massicci si avvicinano al confine tra pianeti e nane marroni. Queste ultime sono oggetti substellari che non possiedono massa sufficiente per innescare la fusione dell’idrogeno nel loro nucleo, guadagnandosi la definizione informale di “stelle fallite”. Lo studio dei giganti gassosi e delle nane marroni offre importanti indizi sui processi di formazione planetaria e sulle dinamiche evolutive dei sistemi stellari, contribuendo a una comprensione più completa della varietà di corpi celesti presenti nell’universo.
Come si formano i giganti gassosi?
La formazione dei pianeti gioviani può avvenire secondo due principali meccanismi teorici. Nel modello dell’accrescimento del nucleo, i corpi solidi iniziali crescono progressivamente all’interno del disco circumstellare attraverso l’aggregazione di planetesimi rocciosi e ghiacciati, fino a raggiungere una massa critica sufficiente per attrarre e trattenere il gas circostante, come si ritiene sia accaduto per Giove e Saturno. Alternativamente, secondo il modello dell’instabilità gravitazionale, regioni del disco ricche di gas possono collassare rapidamente sotto la propria gravità, dando origine a oggetti massicci che in alcuni casi possono raggiungere masse simili a quelle delle nane brune.
Un team di ricercatori, guidato dall’Università della California di San Diego, ha utilizzato i dati spettrali del telescopio spaziale James Webb (JWST) per studiare il sistema stellare HR 8799, giungendo a una sorprendente risposta a questo annoso quesito astronomico.
Il sistema stellare HR 8799 si trova a circa 133 anni luce di distanza nella costellazione di Pegaso. Attorno a questa stella orbitano quattro pianeti giganti con masse comprese tra cinque e dieci volte quella di Giove. Le loro orbite si estendono tra 15 e 70 unità astronomiche, il che significa che il pianeta più interno si trova a una distanza 15 volte maggiore di quella tra la Terra e il Sole. In termini di massa, il pianeta più piccolo possiede una massa pari a cinque volte quella di Giove.
In molti aspetti, HR 8799 rappresenta una versione “in scala” del nostro sistema solare, presentando quattro giganti gassosi esterni analoghi a Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Tuttavia, la combinazione di grandi masse planetarie e orbite estremamente estese ha sollevato interrogativi riguardo al meccanismo di formazione di questo sistema.
Modelli planetari
Secondo i modelli classici di formazione planetaria basati sul sistema solare, la crescita dei pianeti per accrescimento del nucleo richiede tempi relativamente lunghi. In questo contesto, appare problematico spiegare come i pianeti di HR 8799 abbiano potuto raggiungere masse così elevate prima che la stella centrale disperdesse il disco protoplanetario. Tale discrepanza suggerisce che possibili processi di formazione alternativi, come l’instabilità gravitazionale del disco, potrebbero aver giocato un ruolo significativo nella nascita di questi giganti.
Sfruttare il potenziale del telescopio spaziale James Webb
Gli astronomi fanno largo uso della spettroscopia, una tecnica che analizza le onde luminose emesse o riflesse dagli oggetti celesti, permettendo di ottenere informazioni sulle proprietà fisiche degli esopianeti e di tracciare indizi sulla loro formazione. Prima del lancio del James Webb Space Telescope, gli scienziati si servivano principalmente di telescopi terrestri per misurare la presenza di molecole come l’acqua e il monossido di carbonio negli esopianeti. Tuttavia, recenti studi hanno dimostrato che queste molecole contenenti carbonio e ossigeno non sono indicatori affidabili della formazione planetaria, poiché la loro origine non può essere determinata con certezza.
Di conseguenza, la ricerca si è orientata verso elementi più stabili, definiti refrattari. Questi elementi, tra cui lo zolfo, esistono esclusivamente in forma solida nel disco protoplanetario da cui si sviluppano i pianeti. La rilevazione di zolfo nelle atmosfere planetarie costituisce quindi una prova significativa che un gigante gassoso si sia formato tramite accrescimento del nucleo.
Il sistema stellare HR 8799 è relativamente giovane, con un’età stimata di circa 30 milioni di anni, rispetto ai 4,6 miliardi di anni del nostro sistema solare. Poiché i pianeti più giovani tendono a essere più caldi e luminosi, essi risultano più facilmente osservabili tramite spettroscopia, facilitando così l’analisi dettagliata delle loro atmosfere.
Atmosfere dei giganti gassosi
Il JWST possiede lo spettrografo con la più alta risoluzione disponibile nello spazio, che consente ai ricercatori di osservare la luce degli esopianeti senza la contaminazione delle molecole provenienti dall’atmosfera terrestre. Per la prima volta, gli astronomi sono stati in grado di osservare le caratteristiche dettagliate di diverse molecole rare presenti nelle atmosfere dei tre giganti gassosi interni di HR 8799, precedentemente non rilevabili.
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