Perché il pianeta extrasolare gigante gassoso WASP-107 b è così “gonfio”? Due team indipendenti di ricercatori hanno una risposta. I dati raccolti utilizzando il telescopio spaziale James Webb della NASA, combinati con le precedenti osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA, mostrano sorprendentemente poco metano (CH 4 ) nell’atmosfera del pianeta, indicando che l’interno di WASP-107 b deve essere significativamente più caldo e il nucleo molto più caldo. Più massiccio di quanto stimato in precedenza:
Si ritiene che la temperatura inaspettatamente elevata sia il risultato del riscaldamento delle maree causato dall’orbita leggermente non circolare del pianeta e possa spiegare come WASP-107 b possa essere così gonfiato senza ricorrere a teorie estreme su come si è formato. I risultati, resi possibili dalla straordinaria sensibilità di Webb e dalla capacità di misurare la luce che passa attraverso le atmosfere degli esopianeti, potrebbero spiegare il gonfiore di dozzine di esopianeti a bassa densità, aiutando a risolvere un mistero di lunga data nella scienza degli esopianeti.
Il problema con WASP-107 b
Con più di tre quarti del volume di Giove ma meno di un decimo della massa, l’esopianeta “caldo Nettuno” WASP-107 b è uno dei pianeti meno densi conosciuti. Sebbene i pianeti gonfi non siano rari, la maggior parte sono più caldi e massicci, e quindi più facili da spiegare.
“Sulla base del raggio, della massa, dell’età e della temperatura interna presunta, abbiamo pensato che WASP-107 b avesse un nucleo roccioso molto piccolo circondato da un’enorme massa di idrogeno ed elio”, ha spiegato Luis Welbanks dell’Arizona State University (ASU), autore principale di un articolo pubblicato oggi su Nature . “Ma era difficile capire come un nucleo così piccolo potesse raccogliere così tanto gas e poi fermarsi prima di crescere completamente fino a diventare un pianeta della massa di Giove”.
Se invece WASP-107 b avesse una massa maggiore nel nucleo, l’atmosfera avrebbe dovuto contrarsi mentre il pianeta si raffreddava nel tempo da quando si è formato. Senza una fonte di calore per riespandere il gas, il pianeta dovrebbe essere molto più piccolo. Sebbene WASP-107 b abbia una distanza orbitale di soli 5 milioni di miglia (un settimo della distanza tra Mercurio e il Sole), non riceve abbastanza energia dalla sua stella per essere così gonfiato.
“WASP-107 b è un obiettivo davvero interessante per Webb perché è significativamente più freddo e con una massa più simile a Nettuno rispetto a molti altri pianeti a bassa densità, i caldi Giove , che abbiamo studiato”, ha affermato David Sing del Johns. Hopkins University (JHU), autore principale di uno studio parallelo pubblicato anch’esso oggi su Nature . “Di conseguenza, dovremmo essere in grado di rilevare il metano e altre molecole che possano darci informazioni sulla sua chimica e sulle dinamiche interne che non possiamo ottenere da un pianeta più caldo”.
Una ricchezza di molecole precedentemente non rilevabili
Il raggio gigante di WASP-107 b, l’atmosfera estesa e l’orbita edge-on lo rendono ideale per la spettroscopia di trasmissione , un metodo utilizzato per identificare i vari gas nell’atmosfera di un esopianeta in base al modo in cui influenzano la luce stellare.
Combinando le osservazioni della NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb, del MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb e della WFC3 (Wide Field Camera 3) di Hubble, il team di Welbanks è stato in grado di costruire un ampio spettro di luce assorbita da 0,8 a 12,2 micron dall’atmosfera di WASP-107 b. Utilizzando il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb, il team di Sing ha costruito uno spettro indipendente che copre da 2,7 a 5,2 micron .
La precisione dei dati rende possibile non solo rilevare, ma effettivamente misurare l’abbondanza di numerose molecole, tra cui vapore acqueo (H 2 O), metano (CH 4 ), anidride carbonica (CO 2 ), monossido di carbonio (CO ), anidride solforosa (SO 2 ) e ammoniaca (NH 3 ).
Immagine: Spettro di trasmissione dell’esopianeta gigante a gas caldo WASP-107 b (Hubble WFC3, Webb NIRCam e Webb MIRI
Immagine: Esopianeta gigante a gas caldo WASP-107 b (spettro di trasmissione: Webb NIRSpec)
Gas torbido, interno caldo e nucleo enorme
Entrambi gli spettri mostrano una sorprendente mancanza di metano nell’atmosfera di WASP-107 b: un millesimo della quantità prevista in base alla temperatura presunta. “Questa è la prova che il gas caldo proveniente dalle profondità del pianeta deve mescolarsi vigorosamente con gli strati più freddi più in alto”, ha spiegato Sing. “Il metano è instabile alle alte temperature. Il fatto che abbiamo rilevato così poco, anche se abbiamo rilevato altre molecole contenenti carbonio, ci dice che l’interno del pianeta deve essere significativamente più caldo di quanto pensassimo”. Una probabile fonte di energia interna extra di WASP-107 b è il riscaldamento mareale causato dalla sua orbita leggermente ellittica. Con la distanza tra la stella e il pianeta che cambia continuamente durante l’orbita di 5,7 giorni, anche l’attrazione gravitazionale sta cambiando, allungando il pianeta e riscaldandolo.
I ricercatori avevano precedentemente proposto che il riscaldamento delle maree potesse essere la causa del gonfiore di WASP-107 b, ma fino a quando non furono ottenuti i risultati di Webb, non c’erano prove. Una volta stabilito che il pianeta ha abbastanza calore interno da agitare completamente l’atmosfera, i team hanno capito che gli spettri potevano anche fornire un nuovo modo per stimare la dimensione del nucleo. “Se sappiamo quanta energia c’è nel pianeta, e quanta parte del pianeta è costituita da elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e zolfo, rispetto a quanta è idrogeno ed elio, possiamo calcolare quanta massa deve esserci nel pianeta. il nucleo”, ha spiegato Daniel Thorngren di JHU. Si scopre che il nucleo è almeno due volte più massiccio di quanto originariamente stimato, il che ha più senso in termini di come si formano i pianeti. Nel complesso, WASP-107 b non è così misterioso come appariva una volta:
“I dati Webb ci dicono che pianeti come WASP-107 b non dovevano formarsi in qualche modo strano con un nucleo super piccolo e un enorme involucro gassoso”, ha spiegato Mike Line dell’ASU. “Invece, possiamo prendere qualcosa di più simile a Nettuno, con molta roccia e meno gas, semplicemente aumentare la temperatura e aumentarla per farla apparire come appare.” Il James Webb Space Telescope è il principale osservatorio di scienze spaziali del mondo. Webb sta risolvendo i misteri del nostro sistema solare, guardando oltre, verso mondi lontani attorno ad altre stelle, e sondando le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (Agenzia spaziale europea) e CSA (Agenzia spaziale canadese).
