Il James Webb ha analizzato per la prima volta l’atmosfera di un esopianeta, WASP-96 b, caratterizzandone la composizione.

Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha catturato la firma distintiva dell’acqua, insieme a prove di nuvole e foschia, nell’atmosfera che circonda un pianeta gioviano caldo in orbita attorno a una stella lontana simile al Sole. L’osservazione, che rivela la presenza di specifiche molecole di gas in base a minuscole diminuzioni della luminosità di precisi colori della luce, è la più dettagliata del suo genere fino ad oggi, dimostrando la capacità senza precedenti di Webb di analizzare atmosfere distanti centinaia di anni luce.
Mentre il telescopio spaziale Hubble ha analizzato in passato numerose atmosfere di esopianeti negli ultimi due decenni, con il primo chiaro rilevamento dell’acqua nel 2013, l’osservazione immediata e più dettagliata di Webb segna un gigantesco balzo in avanti nella ricerca di pianeti potenzialmente abitabili oltre la Terra.

L’immagine della curva di luce ripresa da Webb durante il transito di WASP-96b. Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

L’atmosfera di WASP-96 b

WASP-96 b è uno degli oltre 5.000 esopianeti confermati nella Via Lattea. Situato a circa 1.150 anni luce di distanza nella costellazione del cielo meridionale della Fenice, rappresenta un tipo di gigante gassoso che non ha analoghi diretti nel nostro sistema solare. Con una massa inferiore alla metà di quella di Giove e un diametro 1,2 volte maggiore, WASP-96 b è molto più “gonfio” di qualsiasi pianeta in orbita attorno al nostro Sole. E con una temperatura superiore ai 530° C, è decisamente più caldo. WASP-96 b orbita molto vicino alla sua stella, simile al Sole, a solo un nono della distanza tra Mercurio e il Sole, completando un’orbita ogni 3 giorni e mezzo terrestri.

La combinazione di grandi dimensioni, breve periodo orbitale, atmosfera gonfia e mancanza di luce contaminante da oggetti vicini nel cielo ha reso WASP-96 b un bersaglio ideale per le osservazioni atmosferiche.

Il 21 giugno, il Near-Infrared Imager e lo Slitless Spectrograph (NIRISS) di Webb hanno misurato la luce del sistema WASP-96 per 6,4 ore mentre il pianeta si muoveva attraverso la stella. Il risultato è una curva di luce che mostra l’attenuazione complessiva della luce stellare durante il transito e uno spettro di trasmissione che rivela la variazione di luminosità delle singole lunghezze d’onda della luce infrarossa tra 0,6 e 2,8 micron. 

Mentre la curva di luce ha confermato le proprietà del pianeta che erano già state determinate da altre osservazioni – l’esistenza, le dimensioni e l’orbita del pianeta – lo spettro di trasmissione ha invece svelato dettagli precedentemente nascosti dell’atmosfera: la firma inequivocabile dell’acqua, indicazioni di foschia, e prove di nuvole che sulla base delle osservazioni precedenti non si riteneva esistessero.

L’analisi dello spettro dell’atmosfera di WASP-96 b catturato dal James Webb. Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI

Uno spettro elettromagnetico dettagliato

Uno spettro di trasmissione viene creato confrontando la luce stellare filtrata attraverso l’atmosfera di un pianeta mentre si sposta attraverso la stella con la luce stellare non filtrata, rilevata quando il pianeta è accanto alla stella. I ricercatori sono in grado di rilevare e misurare le abbondanze di gas chiave nell’atmosfera di un pianeta in base al modello di assorbimento, ovvero le posizioni e le altezze dei picchi sul grafico. Allo stesso modo in cui le persone hanno impronte digitali distintive e sequenze di DNA, atomi e molecole hanno modelli caratteristici di lunghezze d’onda che assorbono.

Lo spettro di WASP-96 b catturato da NIRISS non è solo lo spettro di trasmissione nel vicino infrarosso più dettagliato dell’atmosfera di un esopianeta catturato fino ad oggi, ma copre anche una gamma straordinariamente ampia di lunghezze d’onda, inclusa la luce rossa visibile e una parte dello spettro che non era precedentemente accessibile da altri telescopi (lunghezze d’onda superiori a 1,6 micron). Questa parte dello spettro è particolarmente sensibile all’acqua e ad altre molecole chiave come ossigeno, metano e anidride carbonica, che non sono immediatamente evidenti nello spettro WASP-96 b ma che dovrebbero essere rilevabili in altri esopianeti pianificati per l’osservazione da Webb.

I ricercatori saranno in grado di utilizzare lo spettro per misurare la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera, limitare l’abbondanza di vari elementi come carbonio e ossigeno e stimare la temperatura dell’atmosfera con la profondità. Possono quindi utilizzare queste informazioni per fare calcoli sulla composizione generale del pianeta, nonché su come, quando e dove si è formato. La linea blu sul grafico è il modello più adatto che tiene conto dei dati, delle proprietà note di WASP-96 b e della sua stella (ad esempio, dimensione, massa, temperatura) e delle presunte caratteristiche dell’atmosfera.

L’eccezionale dettaglio e la chiarezza di queste misurazioni sono possibili grazie al design all’avanguardia di Webb. Il suo specchio rivestito in oro da 270 piedi quadrati raccoglie la luce infrarossa in modo estremamente efficiente. I suoi spettrografi di precisione diffondono la luce in arcobaleni di migliaia di colori a infrarossi. E i suoi sensibili rivelatori a infrarossi misurano differenze di luminosità estremamente sottili. NIRISS è in grado di rilevare differenze di colore solo di circa un millesimo di micron (la differenza tra verde e giallo è di circa 50 micron) e differenze di luminosità tra quei colori di poche centinaia di parti per milione.

Inoltre, l’estrema stabilità di James Webb e la sua posizione orbitale intorno al Punto di Lagrange L2, a circa un milione e mezzo di chilometri di distanza dagli effetti contaminanti dell’atmosfera terrestre, garantiscono una visione ininterrotta e dati puliti che possono essere analizzati in tempi relativamente brevi.

Lo spettro straordinariamente dettagliato, realizzato analizzando simultaneamente 280 spettri individuali catturati durante l’osservazione, fornisce solo un suggerimento di ciò che Webb ha in serbo per la ricerca sugli esopianeti. Nel prossimo anno, i ricercatori utilizzeranno la spettroscopia per analizzare le superfici e le atmosfere di diverse dozzine di esopianeti, da piccoli pianeti rocciosi a giganti ricchi di gas e ghiaccio. Quasi un quarto del tempo di osservazione della Fase 1 di Webb sarà dedicato allo studio degli esopianeti e dei materiali che li compongono.

Questa osservazione NIRISS dimostra che Webb ha il potere di caratterizzare le atmosfere di esopianeti, comprese quelle di pianeti potenzialmente abitabili, con dettagli straordinari.

Riferimenti: NASA

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