Nonostante abbia da poco terminato la sua missione, i dati dell’osservatorio a infrarossi Spizter possono aiutare a rispondere a importanti domande sugli esopianeti, su come si sono formati e su cosa determina il clima nelle loro atmosfere.

Due nuovi studi che utilizzano i dati del telescopio spaziale Spitzer della NASA, messo definitivamente in safe-mode il 30 gennaio 2020, hanno fatto luce sugli esopianeti giganti gassosi e sulle nane brune, oggetti che non sono esattamente stelle ma non sono nemmeno pianeti.

L’indagine ha mostrato che il tempo atmosferico sulle nane brune – che si formano come stelle ma non hanno una massa sufficiente per iniziare a bruciare idrogeno nei loro nuclei come fanno le stelle – varia con l’età. Le nane brune e gli esopianeti giganti sono simili per diametro, massa e composizione, quindi comprendere le proprietà atmosferiche di una può fornire informazioni su quelle dell’altro.

Il secondo studio appartiene a un corpus di lavori che ha esaminato i gioviani caldi, esopianeti gassosi che orbitano estremamente vicini alle loro stelle madri. Come nascono questi enormi pianeti? E potrebbero esserci sottoclassi di gioviani caldi con diverse storie di formazione? Per cercare risposte, gli autori dello studio hanno esaminato l’esopianeta XO-3b, un raro esempio di gioviano caldo osservato mentre migrava più vicino alla sua stella ospite.

Esopianeti
Questa illustrazione mostra come potrebbero apparire le nuvole nell’atmosfera di una nana bruna. Credits: NASA/JPL-Caltech/IPAC/T. Pile

Come gli esopianeti

L’età spesso porta stabilità negli esseri umani, e questo sembra essere vero anche per gli oggetti cosmici. Johanna Vos, un’astrofisica dell’American Museum of Natural History di New York, ha riscontrato una maggiore variabilità del tempo sulle giovani nane brune rispetto a quelle vecchie.

Per quanto riguarda le nane brune, la parola variabilità si riferisce a cambiamenti a breve termine nell’intensità delle diverse lunghezze d’onda della luce infrarossa proveniente dall’atmosfera dell’oggetto. Gli astronomi pensano che queste variazioni siano causate dalle nuvole, che riflettono e assorbono la luce nell’atmosfera.

L’elevata variabilità potrebbe indicare una caratteristica atmosferica importante, forse come la Grande Macchia Rossa di Giove, una tempesta delle dimensioni maggiori della Terra che vortica da centinaia di anni. Ma può anche trattarsi di un’atmosfera in rapido cambiamento che può avere molteplici cause, come grandi differenze di temperatura nell’atmosfera o turbolenze (a volte causate da forti venti).

Confrontando le giovani nane brune con le precedenti osservazioni di Spitzer di nane brune più anziane, gli autori hanno scoperto che è più probabile che gli oggetti giovani mostrino variazioni atmosferiche oltre che ad essere anche più grandi e più intense. Vos e i suoi colleghi attribuiscono la differenza al fatto che le nane brune sono più gonfie quando sono giovani ma diventano più compatte con l’età, il che probabilmente rende l’atmosfera più uniforme.

Le giovani nane brune sono simili per diametro, massa e composizione agli esopianeti giganti costituiti principalmente da gas. Ma lo studio di grandi esopianeti è complicato dalla presenza ravvicinata delle loro stelle madri: il compagno irradia l’atmosfera del pianeta, che cambia la temperatura, o anche la chimica, e ne influenza quindi il tempo atmosferico.

La luce brillante della stella rende anche più difficile osservare quella del pianeta che molto più tenue.

Le nane brune, invece, possono agire come una sorta di gruppo di controllo ed essere osservate nello spazio, isolate da tutto. Gli autori dello studio intendono incorporare la nuova scoperta in modelli su come le atmosfere delle nane brune e degli esopianeti giganti si evolvano con l’età.

Rappresentazione artistica del pianeta XO-3b che ha una fonte interna di calore, probabilmente causata dal riscaldamento delle maree. Credits:  NASA/JPL-Caltech

Giganti gassosi in migrazione

Sebbene i gioviani caldi siano il tipo di esopianeta più studiato, rimangono importanti domande su come essi si formino. Per esempio: questi pianeti prendono forma lontano dalle loro stelle madri – a una distanza in cui fa abbastanza freddo perché molecole come l’acqua diventino solide – o più vicino? Il primo scenario si adatta meglio alle teorie su come nascono i pianeti nel nostro sistema solare, ma cosa spingerebbe in seguito questi tipi di pianeti a migrare così vicino alle loro stelle madri non è ancora chiaro.

Lisa Dang, una scienziata di esopianeti alla McGill University di Montreal, e i suoi colleghi hanno utilizzato i dati di Spitzer per studiare un esopianeta chiamato XO-3b, che ha un’orbita eccentrica (ovale) piuttosto che l’orbita circolare di quasi tutti gli altri gioviani caldi conosciuti. L’orbita eccentrica indica che XO-3b potrebbe essere migrato di recente verso la sua stella madre; se ciò fosse vero, alla fine si dovrà stabilizzare in un’orbita più circolare.

Le osservazioni di Gaia, un osservatorio spaziale dell’ESA (Agenzia spaziale europea), e di Spitzer suggeriscono entrambi che il pianeta produca parte del proprio calore, ma gli scienziati non sanno perché. E i dati di Spitzer hanno fornito anche una mappa dei modelli climatici del pianeta. È possibile che il calore in eccesso provenga dall’interno del pianeta, attraverso un processo chiamato “riscaldamento mareale”: la compressione gravitazionale della stella sul pianeta oscilla mentre l’orbita irregolare porta il pianeta più lontano e poi più vicino alla stella, le variazioni risultanti nella pressione interna producono calore.

Per Dang, un insolito gioviano caldo offre l’opportunità di verificare le teorie per le quali i processi di formazione possono produrre determinate caratteristiche in questi esopianeti. Ad esempio, il riscaldamento delle maree in altri gioviani caldi potrebbe anche essere un segno di una recente migrazione? XO-3b da solo non risolverà il mistero, ma fungerà da importante test per le prossime teorie su questi giganti roventi.

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