Come rivelare l’atmosfera di un pianeta extrasolare: il caso di TRAPPIST-1 b – Osservatorio di Parigi – PSL

Il metodo più intuitivo utilizzato dagli astronomi per determinare se un esopianeta ha un’atmosfera è osservarne il transito – passando davanti alla sua stella ospite (bloccando parzialmente la luce della stella per circa 30 minuti) – a diverse lunghezze d’onda per rilevarne le parti la luce viene trasmessa o meno, indicando la presenza di molecole.

Tuttavia, sorgono problemi di contaminazione stellare per i pianeti che orbitano attorno a stelle molto fredde. Questo perché queste stelle non sono omogenee e presentano punti caldi e freddi sulla loro superficie. Questi punti hanno i propri spettri, che possono inquinare lo spettro di trasmissione dei pianeti in transito e imitare le caratteristiche atmosferiche. Un fenomeno del genere è stato osservato più volte con il JWST quando osservava i transiti dei pianeti attorno a stelle fredde.

Lo spettacolo in soccorso

Una soluzione per superare questa contaminazione stellare e ottenere informazioni sulla presenza (o assenza) di un’atmosfera è misurare direttamente il calore del pianeta osservando una diminuzione del flusso mentre il pianeta passa dietro la stella (un evento chiamato occultazione). Osservando la stella poco prima e durante l’occultazione, possiamo dedurre la quantità di luce infrarossa proveniente dal pianeta.

JWST è particolarmente efficace nell’eseguire questo tipo di studi spettroscopici dettagliati di piccoli pianeti rocciosi in orbita attorno a stelle nane rosse. In questo contesto, la stella nana rossa TRAPPIST-1, che ospita sette pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra, di cui tre situati nella zona abitabile della stella (Gillon et al., 2017), sembra essere un obiettivo ideale. In particolare, il suo pianeta più vicino, TRAPPIST-1 b, è stato ampiamente osservato nel medio infrarosso, alla lunghezza d’onda di 15 micron, da JWST (ottobre 2022, novembre 2022, luglio 2023, novembre 2023).

Il caso irrisolto di TRAPPIST-1 b

Da questa prima coorte di dati, uno studio condotto nel 2023 da Greene et al. avevano suggerito che un’atmosfera densa, ricca di CO_2, era improbabile su TRAPPIST-1 b.

Ma queste conclusioni sono qualificate dallo stesso team, alla luce dei nuovi dati ora disponibili a 12,8 micron sul flusso del pianeta. Il 16 dicembre 2024 ha riferito sul diario Astronomia della natura un’analisi completa di tutti i dati infrarossi raccolti su TRAPPIST-1 b. In questo nuovo studio condotto da Elsa Ducrot, allora studentessa post-dottorato presso l’Osservatorio di Parigi-PSL (e attualmente astronomo presso il CEA), gli autori hanno effettuato un’analisi globale di tutti i dati JWST disponibili e hanno confrontato queste osservazioni con modelli di superfici e atmosfere al fine di identificare lo scenario che meglio corrisponde ai dati.

Nello scenario della “nuda roccia oscura” proposto da Greene et al. (2023), la temperatura prevista a 12,8 micron era di circa 227°C. Tuttavia, la misurazione effettiva ha mostrato una temperatura inferiore di 150°C.

Per spiegare tale discrepanza, gli autori hanno esplorato vari modelli di superficie e atmosfera. Hanno scoperto che una superficie nuda composta da rocce ultramafiche (rocce vulcaniche ricche di minerali) potrebbe spiegare le osservazioni. Infatti, le rocce ultramafiche emettono meno radiazione termica a 12,8 micron rispetto a una classica superficie scura.

Gli autori hanno anche scoperto che un’atmosfera ricca di CO₂ e nelle nebbie potrebbe spiegare le osservazioni. Le nebbie sono minuscole particelle o goccioline sospese nell’atmosfera di un pianeta, spesso create da reazioni chimiche, attività vulcanica o radiazione solare. Queste particelle possono disperdere e assorbire la luce, il che influisce sull’aspetto dell’atmosfera e sulla sua temperatura. Ad esempio, le nebbie sono presenti nell’atmosfera di Titano, la famosa luna di Saturno.

È sorprendente che ci sia un’atmosfera nebbiosa e ricca di CO2₂ corrisponde ai dati, perché si pensava che CO₂ non era coerente con l’elevata emissione osservata a 15 micron. Tuttavia, le nebbie possono cambiare le regole del gioco. Riflettono molta luce e possono rendere l’atmosfera superiore più calda rispetto agli strati inferiori, creando un’inversione termica simile a quella della stratosfera terrestre. Ciò porta il CO₂ emettere radiazione invece di assorbirla, risultando in un flusso più elevato a 15 micron rispetto a 12,8 micron – un risultato inaspettato rispetto al comportamento della CO₂ sulla Terra o su Venere.

Gli autori notano, tuttavia, che questo modello atmosferico, sebbene compatibile con i dati, rimane meno probabile rispetto allo scenario della roccia nuda. La sua complessità e le domande sulla formazione di foschia e sulla stabilità climatica a lungo termine su TRAPPIST-1 b lo rendono difficile da adattare.

Per esplorare queste domande saranno necessarie ricerche future, inclusa la modellazione 3D avanzata. Più in generale, il team evidenzia la difficoltà di determinare in modo definitivo la composizione della superficie o dell’atmosfera di un pianeta utilizzando solo misurazioni con filtri a banda larga, proponendo al contempo due scenari avvincenti che verranno esplorati più in dettaglio con future osservazioni della curva di fase TRAPPIST-1 b , che rappresenta la variazione della luminosità di un esopianeta durante la sua orbita, causata da cambiamenti nella porzione illuminata visibile dalla Terra. Ciò fornisce informazioni sull’atmosfera del pianeta, sulle proprietà della superficie e sulla distribuzione della temperatura.

E adesso?

Sebbene entrambi gli scenari rimangano praticabili, gli autori spiegano che le recenti osservazioni della curva di fase di TRAPPIST-1 b, che traccia il flusso del pianeta lungo tutta la sua orbita, potrebbero aiutare a risolvere il mistero. Analizzando l’efficienza con cui il calore viene ridistribuito sul pianeta, gli astronomi possono dedurre se è presente un’atmosfera. Se esiste un’atmosfera, il calore dovrebbe essere distribuito dal lato diurno del pianeta a quello notturno; senza atmosfera, la ridistribuzione del calore sarebbe minima. Si prevede quindi che le indagini proseguano.

Ultima modifica il 16 dicembre 2024