James Webb scopre un raro pianeta gigante con temperature sorprendentemente simili a quelle terrestri.

La scoperta è degna di nota perché i pianeti giganti si trovano solitamente a temperature estreme. Nel nostro sistema solare, Giove e Saturno sono estremamente freddi perché orbitano lontano dal Sole. Molti esopianeti giganti scoperti al di fuori del nostro sistema solare sono “Giove caldi”, mondi che orbitano molto vicino alle loro stelle e raggiungono temperature altissime di migliaia di gradi.

TOI-199b si colloca in una posizione intermedia. È uno dei pochi pianeti giganti temperati conosciuti e i ricercatori affermano che questa è la prima volta che l’atmosfera di un pianeta di questo tipo viene studiata con tale dettaglio.

I risultati potrebbero aiutare gli scienziati a migliorare i modelli di formazione ed evoluzione dei pianeti e delle atmosfere. I ricercatori affermano inoltre che questo lavoro potrebbe in futuro fornire nuove informazioni sull’atmosfera terrestre.

Lo studio, condotto da scienziati della Penn State e del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA presso il California Institute of Technology, è stato pubblicato il 20 maggio sull’Astronomical Journal .

“Uno dei principali vantaggi dello studio dei pianeti al di fuori del nostro sistema solare, noti come esopianeti, è la possibilità di studiare molti tipi diversi di pianeti, soprattutto quelli che non osserviamo nel sistema solare, per comprendere come si formano e si evolvono i sistemi planetari”, ha affermato Renyu Hu, professore associato di astronomia e astrofisica presso l’Eberly College of Science della Penn State e responsabile del team di ricerca. “Da quando il primo esopianeta è stato scoperto nel 1992 da un team che includeva Aleksander Wolszczan della Penn State, gli astronomi hanno trovato migliaia di esopianeti. Ma sono noti solo pochi esopianeti giganti temperati e questa è la prima volta che siamo stati in grado di studiare in dettaglio l’atmosfera di uno di essi.”

Un pianeta gigante con temperature sorprendentemente miti

TOI-199b orbita attorno a una stella situata a più di 330 anni luce dalla Terra e completa un’orbita all’incirca ogni 100 giorni.

Si stima che la temperatura del pianeta si aggiri intorno ai 175 gradi Fahrenheit (circa 79 gradi Celsius). Pur essendo ancora estremamente elevata per gli standard odierni, è molto più fredda rispetto alla maggior parte degli esopianeti giganti studiati finora. Per fare un paragone, le temperature all’interno di un’auto parcheggiata sotto il sole diretto possono facilmente raggiungere livelli simili sulla Terra.

Ciò rende TOI-199b molto più mite dei Giove caldi, pur essendo anche notevolmente più caldo dei giganti gassosi ghiacciati del nostro sistema solare, dove le temperature possono scendere di centinaia di gradi sotto zero.

Come il JWST ha studiato l’atmosfera del pianeta

Per studiare l’atmosfera di TOI-199b, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia di trasmissione. Questa tecnica permette agli astronomi di studiare la luce stellare che attraversa l’atmosfera di un pianeta mentre quest’ultimo si muove davanti alla sua stella, dal punto di vista del telescopio.

Il telescopio spaziale JWST separa la luce della stella in diverse lunghezze d’onda, in modo simile a come un prisma scompone la luce bianca nei colori dell’arcobaleno.

“Quando un pianeta transita davanti alla sua stella, parte della luce stellare attraversa l’atmosfera del pianeta, dove interagisce con gli elementi e le molecole presenti nell’atmosfera”, ha affermato Aaron Bello-Arufe, ricercatore post-dottorato presso il JPL e primo autore dell’articolo. “Specifici elementi assorbono specifiche lunghezze d’onda della luce, creando un’impronta digitale nello spettro luminoso che il JWST rileva e che riflette la composizione dell’atmosfera.”

I ricercatori hanno inizialmente raccolto circa 20 ore consecutive di osservazioni per stabilire una misurazione di riferimento della luce della stella. Il transito planetario in sé è durato circa sette ore, molto più a lungo dei transiti tipicamente osservati per i pianeti gioviani caldi, che possono durare un’ora o meno.

Gli scienziati hanno quindi confrontato lo spettro luminoso registrato durante il transito con le misurazioni di riferimento. Le differenze hanno rivelato quali lunghezze d’onda venivano assorbite dall’atmosfera del pianeta, consentendo al team di identificare i gas presenti.

Rilevata la presenza di metano nell’atmosfera di TOI-199b.

“Confrontando gli spettri durante il transito con quelli di riferimento, abbiamo osservato che l’atmosfera bloccava le lunghezze d’onda della luce stellare assorbite dal metano”, ha affermato Bello-Arufe. “I modelli per la composizione degli esopianeti giganti gassosi temperati avevano previsto la presenza di metano, quindi è positivo avere la conferma che le nostre teorie sono corrette.”

Oltre al metano, le osservazioni hanno suggerito anche la presenza di ammoniaca e anidride carbonica.

“Con ulteriori osservazioni di questo pianeta, potremmo stabilire l’abbondanza relativa di questi vari gas nella sua atmosfera”, ha affermato Hu. “Questo quadro più completo dell’atmosfera di un gigante gassoso temperato può quindi essere utilizzato per migliorare i nostri modelli e potenzialmente comprendere meglio come si formano e si evolvono i pianeti e le loro atmosfere, inclusa la Terra. Il successo di questo primo studio dell’atmosfera di un pianeta gigante temperato ci dà anche la fiducia necessaria per dedicare maggiori risorse e tempo di osservazione allo studio di altri pianeti simili. Potremo quindi verificare se questo pianeta è unico o se presenta caratteristiche comuni a questo tipo di pianeta.”

Il team di ricerca comprendeva anche scienziati dell’Arizona State University, della Johns Hopkins University, della Carnegie Institution for Science, del California Institute of Technology e dell’Università della California di Santa Cruz.

La NASA ha finanziato la ricerca tramite una sovvenzione dello Space Telescope Science Institute.

Astratto

I giganti gassosi temperati ( T _eq < 400 K) rappresentano una frontiera inesplorata nella spettroscopia atmosferica degli esopianeti. Orbitando attorno a una stella di tipo G ogni ∼100 giorni, l’esopianeta di massa saturniana TOI-199 b ( T _eq = 350 K) è uno dei giganti gassosi a bassa temperatura più favorevoli per lo studio atmosferico. Qui presentiamo il suo spettro di trasmissione da un singolo transito osservato con la modalità NIRSpec G395M del JWST. Nonostante la precisione inferiore a quella nominale a causa di un disallineamento di puntamento, lo spettro rivela la presenza di CH ₄ (fattore di Bayes di ∼700 in un’atmosfera nuvolosa), corrispondente a una metallicità di solare, sebbene l’assenza di CO e CO₂ rilevabili _con la precisione attuale sfavorisca metallicità ≳50 × solare. Abbiamo anche testato diverse prescrizioni di foschia (tolina simile a quella di Titano, fuliggine e tolina ricca di acqua), ma la preferenza per questi modelli è debole (fattori di Bayes di ∼2 rispetto al caso limpido). Lo spettro mostra anche un aumento della profondità di transito vicino a 3 μm , che i nostri modelli autoconsistenti attribuiscono a NH₃ _o , meno probabilmente, a HCN. Osservazioni di follow-up potrebbero distinguere tra queste specie, aiutando a determinare il regime di miscelazione verticale del pianeta. Il sistema TOI-199 mostra forti variazioni di tempo di transito (TTV) dovute a un pianeta gigante esterno non in transito. Per il pianeta c, la nostra analisi TTV riduce l’incertezza sulla sua massa del 50% e preferisce un periodo orbitale leggermente più lungo (ma comunque all’interno della zona abitabile conservativa) e una maggiore eccentricità rispetto agli studi precedenti. TOI-199 b rappresenta il primo punto di riferimento per lo studio di nubi e foschie nei giganti gassosi temperati, e il rilevamento di caratteristiche spettrali nel suo spettro di trasmissione indica che i giganti gassosi temperati sono obiettivi promettenti per una caratterizzazione atmosferica dettagliata.