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

Nuove osservazioni del sistema Trappist-1 con il telescopio James Webb mettono in luce le attuali difficoltà nel rilevare le atmosfere planetarie.

Le recenti misurazioni con il telescopio spaziale James Webb (JWST) mettono in dubbio l’attuale comprensione della natura dell’esopianeta Trappist-1 b. Finora, si pensava che fosse un pianeta roccioso scuro senza atmosfera, modellato da un impatto cosmico di radiazioni e meteoriti durato miliardi di anni. Sembra che sia vero il contrario. La superficie non mostra segni di erosione, il che potrebbe indicare attività geologica come vulcanismo e tettonica a placche. In alternativa, è anche possibile che sia un pianeta con un’atmosfera nebbiosa composta da anidride carbonica. I risultati dimostrano le sfide nel determinare le proprietà degli esopianeti con atmosfere sottili, lasciando il dubbio se Trappist-1 b ha davvero un’atmosfera.

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La crosta di Trappist-1 b potrebbe essere geologicamente attiva.

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. Ad oggi, dieci programmi di ricerca hanno preso di mira questo sistema con il James Webb Space Telescope (JWST) per oltre 290 ore di osservazioni.

“Tuttavia, l’idea di un pianeta roccioso con una superficie fortemente erosa senza atmosfera è incoerente con le misurazioni attuali“, afferma l’astronomo MPIA Jeroen Bouwman, che è stato co-responsabile del programma di osservazione. “Pertanto, pensiamo che il pianeta sia ricoperto da materiale relativamente invariato“. Di solito, la superficie è erosa dalle radiazioni della stella centrale e dagli impatti dei meteoriti. Tuttavia, i risultati suggeriscono che la roccia sulla superficie abbia 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 un vulcanismo estremo o dalla tettonica a placche. Anche se tale scenario è attualmente ancora ipotetico, è comunque plausibile. Il pianeta è abbastanza grande che il suo interno potrebbe aver trattenuto calore residuo dalla sua formazione, come nel caso della Terra. L’effetto mareale della stella centrale e degli altri pianeti potrebbe anche deformare Trappist-1 b in modo che l’attrito interno risultante generi calore, simile a ciò che vediamo nella luna di Giove Io. Inoltre, sarebbe concepibile il riscaldamento induttivo da parte del campo magnetico della stella vicina.

È possibile che Trappist-1 b abbia un’atmosfera?

“I dati consentono anche una soluzione completamente diversa“, afferma Thomas Henning, direttore del MPIA. È stato uno dei principali architetti dello strumento MIRI. “Contrariamente alle idee precedenti, ci sono condizioni in cui il pianeta potrebbe avere un’atmosfera densa ricca di anidride carbonica“, aggiunge. Un ruolo chiave in questo scenario è la foschia dei composti di idrocarburi, ovvero lo smog, nell’atmosfera superiore.

I due programmi di osservazione, che si completano a vicenda nello studio attuale, 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 era 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 modello che dimostrano che la foschia può invertire la stratificazione della temperatura di un’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.

Poiché la foschia assorbe la luce delle stelle e si riscalda, riscalderebbe invece gli strati atmosferici superiori, sostenuti da un effetto serra. Di conseguenza, l’anidride carbonica lì emette essa stessa radiazioni infrarosse. Vediamo qualcosa di simile accadere sulla luna di Saturno, Titano. Il suo strato di foschia si forma molto probabilmente lì 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.

Una situazione complessa

Anche se i dati si adattano a questo scenario, gli astronomi lo considerano comunque meno probabile in confronto. Da un lato, è più difficile, anche se non impossibile, produrre composti di idrocarburi che formino una foschia da un’atmosfera ricca di CO ₂. L’atmosfera di Titano, tuttavia, è composta principalmente da metano. D’altro canto, rimane il problema che le stelle nane rosse attive, tra cui 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 al momento rilevare e determinare le atmosfere dei pianeti rocciosi, persino per il James Webb. 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 senza ombra di dubbio se il pianeta abbia 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 della stella a lunghezze d’onda specifiche. Da ciò, possono dedurre se un pianeta ha un’atmosfera e di cosa è composta.

Vantaggi e svantaggi

Sfortunatamente, questo metodo ha degli svantaggi, specialmente per sistemi planetari come Trappist-1. Le stelle nane rosse fredde spesso presentano grandi macchie stellari e forti eruzioni, che influenzano significativamente la misurazione.

Gli astronomi aggirano ampiamente questo problema osservando invece il lato di un esopianeta riscaldato dalla stella nella luce infrarossa termica, come nello studio attuale con Trappist-1 b. Il lato luminoso diurno 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 della spettroscopia di transito.

Dato il potenziale di queste cosiddette misurazioni di eclissi secondarie, la NASA ha recentemente approvato un vasto 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.

Certezza su Trappist-1 b

Il team di ricerca si aspetta di poter 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 oscuro della notte quando passa davanti alla stella al lato luminoso del giorno 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 nella transizione tra i due lati, ciò indica l’assenza di un’atmosfera.

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Per saperne di più

• Leggi l’articolo originale su Max Plank Institute
• Leggi il paper scientifico intitolato “Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b” su Nature Astronomy