Gli astronomi che utilizzano il telescopio spaziale James Webb (JWST) hanno scoperto notevoli differenze tra le regioni dell’alba e del crepuscolo dell’esopianeta ultra-caldo WASP-121 b. Queste zone di confine, note come terminatori, segnano la transizione tra il lato permanentemente illuminato e il lato permanentemente in ombra del pianeta. I risultati forniscono la prova più chiara finora ottenuta che le due regioni presentano temperature e composizioni atmosferiche differenti, confermando previsioni che in precedenza esistevano solo nei modelli teorici.
La scoperta deriva dalle misurazioni della luce infrarossa della stella che attraversava l’atmosfera del pianeta mentre WASP-121 b transitava davanti alla sua stella ospite. Esaminando come l’atmosfera filtrava quella luce durante il transito, i ricercatori hanno trovato uno schema di assorbimento irregolare.
Secondo il team, l’asimmetria si spiega al meglio con le differenze di temperatura e composizione chimica tra il lato del pianeta esposto al sole del mattino e quello esposto al sole della sera.
“Grazie alla sua qualità osservativa senza precedenti, il JWST ci offre le immagini più dettagliate di pianeti lontani mai ottenute finora: misurando come cambia l’assorbimento della luce stellare durante la rotazione di WASP-121 b, ne studiamo l’atmosfera longitudine per longitudine”, ha affermato Cyril Gapp, MPIA.
Le osservazioni mostrano che il terminatore serale assorbe più luce del terminatore mattutino. Ciò è in linea con le attuali teorie sui potenti venti atmosferici che trasportano il calore dal lato diurno, intensamente caldo, verso il lato notturno, più freddo. Poiché questi venti si muovono verso est, nella direzione di rotazione del pianeta, riscaldano la regione serale in modo più intenso.
Con l’aumento delle temperature, l’atmosfera si espande. Un’atmosfera più ampia presenta una sezione trasversale maggiore alla luce stellare in arrivo, consentendole di assorbire più radiazioni.
I dati raccolti con lo strumento NIRSpec (spettrografo nel vicino infrarosso) del JWST hanno inoltre rivelato un segnale di monossido di carbonio (CO) più intenso verso la fine del transito. I ricercatori ritengono che questo cambiamento sia causato da effetti di temperatura piuttosto che da un effettivo aumento della concentrazione di monossido di carbonio.
L’acqua (H₂O ) ha raccontato una storia diversa. Le osservazioni suggeriscono che le molecole d’acqua diventano meno abbondanti nelle regioni atmosferiche più calde. Gli scienziati interpretano questo come una reale diminuzione dell’acqua, poiché le temperature nell’alta atmosfera sono sufficientemente elevate da scindere le molecole d’acqua nei loro elementi costitutivi. Questa scoperta fornisce ulteriori prove del fatto che i venti caldi stanno riscaldando il terminatore serale.
Un pianeta di giorno e notte perenni
Per rilevare differenze atmosferiche così sottili è stato necessario sfruttare una caratteristica comune dei giganti gassosi in orbita ravvicinata.
Nel corso del tempo, le forze mareali sincronizzano la rotazione del pianeta con la sua orbita, facendo sì che una rotazione impieghi lo stesso tempo di un’orbita completa attorno alla sua stella. Di conseguenza, un emisfero è costantemente rivolto verso la stella, mentre l’altro rimane in perenne oscurità.
“WASP-121b è particolarmente estremo, con temperature medie nell’emisfero diurno intorno ai 2770 Kelvin, mentre quelle nell’emisfero notturno si aggirano sui 1000 Kelvin”, spiega Tom Evans-Soma, coautore dello studio e ricercatore presso l’Università di Newcastle, in Australia. Evans-Soma aveva già determinato l’intervallo di temperature del pianeta ed è anch’egli affiliato al MPIA.
Queste temperature corrispondono a quasi 2.500 gradi Celsius (4.525 gradi Fahrenheit) durante il giorno e a circa 725 gradi Celsius (1.340 gradi Fahrenheit) durante la notte.
Durante il transito del pianeta davanti alla sua stella, la sua rotazione è minima tra l’inizio e la fine del transito. Questa piccola rotazione permette agli astronomi di osservare diverse sezioni dell’atmosfera. Sebbene il lato notturno rimanga perlopiù visibile, gli scienziati possono anche intravedere porzioni delle regioni dell’alba e del crepuscolo e, a seconda della fase del transito, persino piccole aree più vicine al lato illuminato dal sole.
Il lato anteriore dell’orbita corrisponde al terminatore mattutino, mentre il lato posteriore corrisponde al terminatore serale.
Trasformare i tempi di transito in mappe atmosferiche
Per studiare l’atmosfera, i ricercatori hanno analizzato come la luminosità del pianeta cambiava durante il transito. Hanno anche esaminato gli spettri, che si creano quando la luce viene scomposta nelle sue lunghezze d’onda componenti, proprio come un prisma crea un arcobaleno.
I diversi gas assorbono specifiche lunghezze d’onda della luce, consentendo agli scienziati di identificare le sostanze chimiche presenti nell’atmosfera.
Poiché il pianeta ruota mentre transita davanti alla sua stella, le variazioni del segnale nel tempo corrispondono a diverse longitudini sul pianeta. Durante un transito completo, WASP-121 b ruota di circa 30 gradi, abbastanza da distinguere con notevole precisione i terminatori del mattino (alba) e della sera (crepuscolo).
Gli astronomi spesso combinano tutte le misurazioni dei transiti in un unico segnale medio per migliorare la chiarezza. In questo studio, tuttavia, Gapp e i suoi colleghi hanno permesso al segnale di variare nel tempo a causa della rotazione del pianeta. L’analisi statistica ha dimostrato che questo approccio si adattava significativamente meglio alle osservazioni, fornendo una solida prova che le differenze atmosferiche sono reali.
Possibili nuvole non incluse nei modelli attuali
Per comprendere le osservazioni, i ricercatori hanno eseguito simulazioni al computer del trasporto di calore nell’atmosfera superiore di un gigante gassoso. I modelli hanno riprodotto con successo l’asimmetria generale causata dalle differenze di temperatura, ma l’effetto osservato è risultato più marcato di quanto previsto.
Tale discrepanza suggerisce che ulteriori processi potrebbero influenzare l’atmosfera.
Una possibilità è che il terminatore mattutino subisca un raffreddamento aggiuntivo che i modelli attuali non riescono a riprodurre. Ricerche precedenti hanno suggerito la possibile presenza di nubi in queste regioni. A differenza delle nubi terrestri, sarebbero probabilmente composte da minerali come i silicati piuttosto che da goccioline d’acqua.
Tali nubi potrebbero bloccare le radiazioni infrarosse provenienti dagli strati più caldi sottostanti, facendo apparire l’atmosfera più fredda di quanto non sia in realtà.
La modellazione della formazione, della condensazione e dell’evaporazione delle nubi in un ambiente in rapida evoluzione rimane estremamente difficile. Di conseguenza, molti modelli di atmosfera degli esopianeti, compresi quelli utilizzati in questo studio, non incorporano completamente la fisica delle nubi.
Quando il team ha modificato le proprie simulazioni per approssimare gli effetti delle nuvole, i risultati si sono allineati maggiormente alle osservazioni. Ciononostante, saranno necessari modelli più avanzati prima che i ricercatori possano confermare con certezza la presenza di nuvole su WASP-121 b.
Un nuovo metodo per studiare gli esopianeti estremi
I futuri miglioramenti ai modelli atmosferici potrebbero rendere questa tecnica ancora più efficace.
I ricercatori hanno già identificato altri giganti gassosi ultra-caldi con temperature e velocità di rotazione adatte a studi simili. Applicando lo stesso metodo a un campione più ampio di pianeti, gli astronomi sperano di confrontare come cambiano le condizioni atmosferiche su mondi diversi e di ottenere una comprensione più approfondita delle loro strutture tridimensionali.
Informazioni aggiuntive
Gli astronomi dell’MPIA coinvolti in questo studio erano Cyril Gapp (anche dell’Università di Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (anche dell’Università di Newcastle, Australia) ed Eva-Maria Ahrer.
Altri ricercatori erano: Aurélien Falco (Università della Sorbona, Parigi, Francia), David K. Sing (Johns Hopkins University, Baltimora, USA), Shashank Dholakia (Università del Queensland, Santa Lucia, Australia), Vivien Parmentier (Università della Costa Azzurra, Nizza, Francia), Jérémy Leconte (Università di Bordeaux, Francia) e Guangwei Fu (Johns Hopkins University).
Le osservazioni del JWST utilizzate in questo studio sono state condotte nell’ambito del programma GO n. 1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) intitolato “A NIRSpec Phase Curve for the ultrahot Jupiter WASP-121b” e del programma GTO n. 1201 (PI: David Lafreniere) denominato “NIRISS Exploration of the Atmospheric diversity of Transiting exoplanets (NEAT)”.
NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) è stato costruito dall’industria europea secondo le specifiche dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e gestito dal progetto ESA JWST presso l’ESTEC (European Space Research and Technology Centre), nei Paesi Bassi. L’appaltatore principale era Airbus Defence and Space di Ottobrunn, in Germania. MPIA ha contribuito allo sviluppo e alla produzione delle ruote portafiltri e reticoli di diffrazione di NIRSpec. Il rivelatore NIRSpec e i sottosistemi dell’array di micro-otturatori sono stati forniti dal Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA.
Il telescopio spaziale James Webb è il principale osservatorio al mondo per la ricerca spaziale. Si tratta di un programma internazionale guidato dalla NASA e dai suoi partner ESA e CSA (Agenzia Spaziale Canadese).
Astratto
Gli esopianeti vicini sono bloccati marealmente alla loro stella ospite e quindi presentano gradienti di temperatura atmosferica estremi. È stato teorizzato che la frazione di luce stellare assorbita da tali pianeti durante il transito cambi in funzione della fase orbitale man mano che il gas atmosferico progressivamente più caldo o più freddo ruota entrando nel campo visivo, ma questo effetto non è stato osservato finora. Qui mostriamo che due transiti del Giove ultra-caldo WASP-121 b, acquisiti con JWST/NIRSpec e NIRISS, mostrano curve di luce asimmetriche causate dalla rotazione del pianeta durante il transito. Osserviamo un aumento dell’assorbimento di CO e una leggera diminuzione dell’assorbimento di H₂O nello spettro di trasmissione man mano che il pianeta ruota. Questi risultati indicano un gradiente di temperatura longitudinale più forte attraverso il terminatore serale rispetto a quello mattutino, coerente con temperature più elevate nella metà orientale rispetto alla metà occidentale del lato diurno. Le variazioni osservate dello spettro di trasmissione con la fase orbitale sono in linea con l’aumento di temperatura che causa la dissociazione termica dell’H₂O 2 O, mentre CO rimane abbondante. L’osservazione dei gradienti longitudinali nella temperatura e nella composizione chimica atmosferica dal transito rotazionale del pianeta fornisce una nuova sonda per vincolare l’eterogeneità atmosferica utilizzando JWST oltre le differenze tra i terminatori mattutini e serali dalle asimmetrie dei bordi.
Materials provided by Max Planck Institute for Astronomy. Note: Content may be edited for style and length.
Cyril Gapp, Aurélien Falco, Thomas M. Evans-Soma, David K. Sing, Shashank Dholakia, Vivien Parmentier, Jérémy Leconte, Eva-Maria Ahrer, Guangwei Fu. Atmospheric asymmetries in WASP-121 b revealed by rotational transits detected with JWST. Nature Astronomy, 2026; DOI: 10.1038/s41550-026-02887-6
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