Gli astronomi hanno identificato qualcosa di sorprendente su un lontano gigante gassoso: nubi di ghiaccio d’acqua. La scoperta è stata fatta da un team guidato da Elisabeth Matthews presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e mette in discussione molti modelli esistenti sul comportamento delle atmosfere degli esopianeti. Il pianeta, noto come Epsilon Indi Ab, è simile a Giove, eppure la sua atmosfera sembra più complessa del previsto. Il metodo di osservazione utilizzato in questo studio rappresenta anche un passo importante verso l’obiettivo a lungo termine di trovare e studiare pianeti simili alla Terra.
La ricerca di pianeti al di fuori del nostro sistema solare si è evoluta nel corso dei decenni. Gli scienziati sperano di rilevare segni di vita su mondi lontani, possibilmente entro i prossimi decenni. I primi sforzi, dal 1995 al 2022 circa, si sono concentrati principalmente sulla scoperta di nuovi esopianeti. I ricercatori si sono affidati a tecniche indirette in grado di rivelare la massa, le dimensioni o, talvolta, entrambe di un pianeta.
Il lancio del telescopio spaziale James Webb (JWST) nel 2022 ha segnato l’inizio di una nuova fase. Per la prima volta, gli astronomi hanno potuto studiare in dettaglio le atmosfere di molti esopianeti, ottenendo informazioni sulla loro composizione e struttura. Ciononostante, questa fase è ancora lontana dalla ricerca diretta della vita, che probabilmente richiederà in futuro telescopi più avanzati.
Le ricerche più recenti spingono ulteriormente queste tecniche, sebbene non si concentrino ancora sui pianeti simili alla Terra. Elisabeth Matthews (Istituto Max Planck per l’Astronomia), autrice principale dello studio, spiega: “Il JWST ci permette finalmente di studiare in dettaglio i pianeti analoghi al sistema solare. Se fossimo alieni, a diversi anni luce di distanza, e guardassimo indietro verso il Sole, il JWST sarebbe il primo telescopio che ci permetterebbe di studiare Giove in dettaglio. Per studiare la Terra in dettaglio, però, avremmo bisogno di telescopi molto più avanzati.”
Perché gli esopianeti simili a Giove sono difficili da studiare
Nonostante le capacità del JWST, studiare pianeti simili a Giove si è rivelato difficile. La maggior parte dei giganti gassosi osservati finora sono molto più caldi di Giove. Questo perché il metodo più comune per studiare le atmosfere degli esopianeti richiede che il pianeta transiti davanti alla sua stella, vista dalla Terra. I pianeti più vicini alle loro stelle hanno maggiori probabilità di allinearsi in questo modo, ma sono anche molto più caldi.
Per aggirare questa limitazione, Matthews e il suo team hanno utilizzato un approccio diverso. Il loro lavoro offre una delle osservazioni più ravvicinate finora effettuate di un vero analogo di Giove e ha rivelato una caratteristica inaspettata.
Utilizzando lo strumento a infrarossi medi MIRI del JWST, il team ha ripreso direttamente Epsilon Indi Ab. Questo pianeta orbita attorno alla stella Epsilon Indi A nella costellazione dell’Indo (nell’emisfero australe). Secondo Bhavesh Rajpoot, dottorando presso l’MPIA che ha contribuito alla ricerca, “Questo pianeta ha una massa considerevolmente maggiore di Giove – il nuovo studio ne stima la massa a 7,6 masse gioviane – ma il diametro è circa lo stesso del suo cugino del sistema solare”.
Un gigante freddo con calore persistente
Epsilon Indi Ab orbita a una distanza dalla sua stella circa quattro volte maggiore di quella che separa Giove dal Sole. La sua stella ospite è leggermente più piccola e più fredda del Sole, il che mantiene la temperatura del pianeta relativamente bassa. Si stima che la sua temperatura superficiale sia compresa tra 200 e 300 Kelvin (tra -70 e +20 gradi Celsius).
Nonostante ciò, il pianeta è più caldo di Giove, che ha una temperatura di circa 140 K. Gli scienziati ritengono che questo calore extra derivi dal calore residuo della formazione del pianeta. Nel corso di miliardi di anni, si prevede che Epsilon Indi Ab si raffreddi e alla fine diventi persino più freddo di Giove.
Per osservare il pianeta, gli astronomi hanno utilizzato un coronografo sullo strumento MIRI per bloccare la luce intensa della stella ospite. Ciò ha permesso loro di rilevare il debole bagliore del pianeta stesso. Hanno catturato immagini utilizzando un filtro a 11,3 μm, una lunghezza d’onda appena al di fuori di quella associata alle molecole di ammoniaca NH3. Confrontando queste osservazioni con immagini precedenti scattate a 10,6 μm nel 2024, il team è stato in grado di stimare la quantità di ammoniaca presente. (Per inciso, sia le ruote portafiltri meccaniche che posizionano il coronografo sia il filtro davanti alla telecamera MIRI sono stati costruiti presso l’MPIA, uno dei contributi tedeschi al JWST).
Le prove indicano la presenza di nuvole di ghiaccio d’acqua.
Nell’atmosfera di Giove, il gas di ammoniaca e le nubi di ammoniaca dominano gli strati superiori visibili. In base alle sue proprietà, ci si aspettava che anche Epsilon Indi Ab contenesse grandi quantità di gas di ammoniaca, ma non nubi di ammoniaca. Invece, le osservazioni hanno rivelato una quantità di ammoniaca inferiore a quella prevista.
La spiegazione più probabile è la presenza di nubi di ghiaccio d’acqua spesse ma irregolari, simili ai cirri presenti nell’alta atmosfera terrestre: una complicazione inaspettata.
Gli astronomi interpretano in genere questi dati confrontando le osservazioni con modelli computerizzati delle atmosfere planetarie. Tuttavia, molti modelli esistenti non includono le nuvole perché sono difficili da simulare. Questa scoperta evidenzia la necessità di migliorare tali modelli. James Mang (Università del Texas a Austin), coautore dello studio, osserva: “È un problema positivo, e testimonia gli immensi progressi che stiamo compiendo grazie al JWST. Ciò che un tempo sembrava impossibile da rilevare è ora alla nostra portata, permettendoci di studiare la struttura di queste atmosfere, inclusa la presenza di nuvole. Questo rivela nuovi livelli di complessità che i nostri modelli stanno iniziando a cogliere e apre la strada a una caratterizzazione ancora più dettagliata di questi mondi freddi e lontani.”
Uno sguardo al futuro con i telescopi del futuro
Osservazioni future potrebbero fornire una visione ancora più chiara di queste nubi. Il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, di cui MPIA è partner, dovrebbe essere lanciato tra il 2026 e il 2027 e dovrebbe essere particolarmente adatto a rilevare direttamente le nubi di ghiaccio d’acqua riflettenti.
Nel frattempo, Matthews e i suoi colleghi stanno cercando di ottenere ulteriore tempo di osservazione con il JWST per studiare altri pianeti freddi simili a Giove. Mentre i ricercatori continuano a perfezionare le loro tecniche, stanno gettando le basi per lo studio di mondi simili alla Terra in futuro e, in definitiva, per la ricerca di segni di vita al di fuori del nostro sistema solare.
Informazioni di base
I risultati qui descritti sono stati pubblicati come EC Matthews et al., “Una seconda visita a Eps Ind Ab con JWST: la nuova fotometria conferma la presenza di ammoniaca e suggerisce la presenza di nubi dense nell’atmosfera dell’esopianeta del super-Giove più vicino” nell’Astrophysical Journal Letters .
I ricercatori dell’MPIA coinvolti sono Elisabeth Matthews e Bhavesh Rajpoot, in collaborazione con James Mang e Caroline Morley (Università del Texas a Austin), Aarynn Carter e Mathilde Mâlin (Space Telescope Science Institute) e altri.
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