Hubble osserva i cambiamenti nell’atmosfera dell’esopianeta

Un team internazionale di astronomi ha assemblato e rielaborato le osservazioni del pianeta extrasolare WASP-121 b che sono stati raccolti con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA negli anni 2016, 2018 e 2019. Ciò ha fornito loro un set di dati unico che ha permesso loro non solo di analizzare l’atmosfera di WASP-121 b, ma anche di confrontare lo stato dell’atmosfera dell’esopianeta nel corso di diversi anni.

WASP-121 b (impressione dell’artista)

Il team ha trovato prove evidenti che le osservazioni di WASP-121 b variavano nel tempo. Utilizzando sofisticate tecniche di modellazione, hanno dimostrato che i modelli meteorologici nell’atmosfera dell’esopianeta potrebbero spiegare queste variazioni temporali.

Osservare gli esopianeti – pianeti oltre il nostro Sistema Solare – è impegnativo sia a causa della loro distanza dalla Terra sia per il fatto che orbitano principalmente attorno a stelle molto più grandi e luminose dei pianeti stessi. Ciò significa che gli astronomi che sono riusciti a osservare un pianeta extrasolare con un telescopio altrettanto sofisticato Hubble in genere devono combinare tutti i loro dati per ottenere informazioni sufficienti per trarre deduzioni sicure sulle proprietà dell’esopianeta. Combinando le osservazioni per aumentare la forza del segnale di un esopianeta, gli astronomi possono costruire un’immagine media della sua atmosfera, ma ciò non dice loro se sta cambiando. In altre parole, non possono studiare il tempo su altri mondi usando questo metodo di media. Lo studio del tempo richiede molti più dati di alta qualità, acquisiti su un periodo di tempo più lungo. Fortunatamente, Hubble è attivo da un periodo di tempo così impressionante che esiste un vasto archivio di dati di Hubble, a volte con più serie di osservazioni dello stesso oggetto celeste – e questo include l’esopianeta WASP-121 b.

WASP-121 b (noto anche come Tylos) è un Giove caldo ben studiato [1] che orbita attorno a una stella che si trova a circa 880 anni luce dalla Terra, completando un’orbita completa in un periodo molto intenso di 30 ore. La sua estrema vicinanza alla stella ospite significa che è bloccato in base alle maree [2]e che l’emisfero rivolto alle stelle è molto caldo, con temperature che superano i 3000 Kelvin [3]. Il team ha combinato quattro serie di osservazioni d’archivio di WASP-121 b, tutte realizzate utilizzando la Wide Field Camera 3 (WFC 3) di Hubble. Il set di dati completo assemblato include osservazioni di: WASP-121 b in transito davanti alla sua stella (scattato nel giugno 2016); WASP-121 b in transito dietro la sua stella, nota anche come eclissi secondaria (scattata a novembre 2016); e due curve di fase [4] di WASP-121 b (scattate rispettivamente a marzo 2018 e febbraio 2019). Il team ha intrapreso il passo unico di elaborare ciascun set di dati in modo simile, anche se un team diverso lo aveva precedentemente elaborato. L’elaborazione dei dati sugli esopianeti è complessa e dispendiosa in termini di tempo, ma ne è valsa comunque la pena perché ha consentito al team di confrontare direttamente tra loro i dati elaborati da ciascuna serie di osservazioni.

Uno dei principali ricercatori del team, Quentin Changeat, ricercatore dell’ESA presso lo Space Telescope Science Institute, elabora:

“Il nostro set di dati rappresenta una quantità significativa di tempo di osservazione per un singolo pianeta ed è attualmente l’unico insieme coerente di tali osservazioni ripetute. Le informazioni che abbiamo estratto da quelle osservazioni sono state utilizzate per caratterizzare (dedurre la chimica, la temperatura e le nuvole) dell’atmosfera di WASP-121 b in momenti diversi. Questo ci ha fornito un’immagine squisita del pianeta, che cambia nel tempo”.

Dopo aver ripulito ciascun set di dati, il team ha trovato prove evidenti che le osservazioni di WASP-121 b variavano nel tempo. Anche se gli effetti strumentali potrebbero persistere, i dati hanno mostrato un apparente spostamento nel punto caldo dell’esopianeta [5] e differenze nella firma spettrale (che indica la composizione chimica dell’atmosfera dell’esopianeta) indicative di un’atmosfera che cambia. Successivamente, il team ha utilizzato modelli computazionali altamente sofisticati per tentare di comprendere il comportamento osservato dell’atmosfera dell’esopianeta. I modelli hanno indicato che i loro risultati potrebbero essere spiegati da modelli meteorologici quasi periodici, in particolare cicloni massicci che vengono ripetutamente creati e distrutti a causa dell’enorme differenza di temperatura tra il lato rivolto alle stelle e quello oscuro dell’esopianeta. Questo risultato rappresenta un significativo passo avanti nell’osservazione potenziale dei modelli meteorologici sugli esopianeti.

“L’alta risoluzione delle nostre simulazioni dell’atmosfera degli esopianeti ci consente di modellare accuratamente il tempo su pianeti ultra caldi come WASP-121 b”, ha spiegato Jack Skinner, ricercatore post-dottorato presso il California Institute of Technology e co-leader di questo studio. “Qui facciamo un significativo passo avanti combinando i vincoli osservativi con le simulazioni atmosferiche per comprendere le variazioni meteorologiche nel tempo su questi pianeti”.

“Il tempo sulla Terra è responsabile di molti aspetti della nostra vita, e in effetti la stabilità a lungo termine del clima terrestre e del suo tempo è probabilmente il motivo principale per cui la vita potrebbe emergere”, ha aggiunto Quentin. “Studiare il clima degli esopianeti è vitale per comprendere la complessità delle atmosfere degli esopianeti, soprattutto nella nostra ricerca di esopianeti con condizioni abitabili”.

Osservazioni future con Hubble e altri potenti telescopi, inclusi Webbfornirà una visione più approfondita dei modelli meteorologici su mondi lontani e, in definitiva, forse alla ricerca di esopianeti con climi e modelli meteorologici stabili a lungo termine.

Appunti

[1] I Giove caldi sono un tipo di esopianeta senza analoghi diretti del Sistema Solare: sono giganti gassosi che orbitano molto vicino alle loro stelle madri, spesso eseguendo un’orbita completa nel giro di pochi giorni.

[2] Il blocco della marea si riferisce alla situazione in cui un corpo orbitante presenta sempre lo stesso emisfero all’oggetto attorno al quale orbita. Ad esempio, la Luna è bloccata in base alle maree rispetto alla Terra, il che spiega perché la superficie della Luna appare sempre la stessa dalla nostra prospettiva qui sulla Terra. In alcuni casi, i due corpi potrebbero essere bloccati l’uno rispetto all’altro, anche se questo non è il caso della Luna e della Terra: dal punto di vista di un astronauta sulla Luna, la Terra sembra ancora ruotare sul proprio asse. I pianeti con marea bloccata avranno una distribuzione della temperatura estremamente irregolare su tutta la loro superficie, con l’emisfero rivolto alla stella molto più caldo dell’altro.

[3] Kelvin (K) è l’unità di temperatura tipicamente utilizzata da molti scienziati, compresi gli astronomi. Un Kelvin è uguale a un grado Celsius (°C, tuttavia, la scala Kelvin è sfalsata rispetto alla scala Celsius, che è impostata su zero al punto di congelamento dell’acqua a una pressione atmosferica. Al contrario, zero sulla scala Kelvin è noto come zero assoluto e si ritiene che sia la temperatura più bassa possibile, dove cessa tutta l’attività cinetica di tutte le molecole. 0 K equivale a –273,15 °C.

[4] Le curve di fase dell’esopianeta mostrano la quantità variabile di luce ricevuta da un sistema stella-esopianeta mentre l’esopianeta orbita attorno alla sua stella madre.

[5] I punti caldi degli esopianeti sono, come suggerisce il nome, i punti più caldi sulla superficie di un esopianeta. Anche se sarebbe intuitivo supporre che il punto caldo sarà sempre nel punto del pianeta più vicino alla stella, in realtà molti studi hanno dimostrato che i punti caldi degli esopianeti sono spesso compensati. Ciò potrebbe essere dovuto al vento o ad altri modelli atmosferici sugli stessi esopianeti.

Fonte: Agenzia spaziale europea