HAT-P-26b: IL NETTUNO CALDO

Tra le varie categorie di esopianeti che oggi conosciamo, alcune presenti anche all'interno del nostro sistema planetario e altre del tutto assenti, ce n'è una che ancora cela la gran parte dei suoi misteri: i pianeti nettuniani.

Come fa presumere il loro nome, si tratta di pianeti simili per dimensione e massa al nostro Nettuno ovvero a metà strada tra un gigante gassoso (come ad esempio Giove) ed un pianeta di tipo terrestre.

Oggi ne conosciamo diverse decine in giro per la galassia ma già dalle prime scoperte qualcosa aveva spiazzato ed incuriosito i cacciatori di esopianeti: questi nettuniani erano caldi e vicini alla loro stella e non freddi e distanti come il nostro! Ecco l'origine della dicitura nettuniani caldi. 

Di questa affollata classe di pianeti, i nettuniani, conosciamo dimensione e massa solamente di una manciata di mondi: Urano, Nettuno, GJ 436b, HAT-P-11b e HAT-P-26b. 

Ma le stranezze non finiscono certo qui perchè le scoperte di nuovi mondi ed i relativi studi si susseguono a ritmo serrato.

L'ultima in ordine di tempo riguarda le indagini approfondite compiute da Hubble e Spitzer sul nettuniano caldo HAT-P-26b, transitante di fronte alla sua stella distante 430 anni luce da noi in direzione della costellazione della Vergine. 

Nel nostro sistema planetario i pianeti giganti come Giove, Saturno, Urano e Nettuno hanno una metallicità molto più grande del Sole, che aumenta di molto con l'aumentare della distanza dal Sole. Per metallicità si intende la quantità di elementi diversi da idrogeno ed elio presenti all'interno di un corpo celeste. Si ipotizza, in accordo con i modelli di formazione del sistema solare attualmente accettati, che tale metallicità elevata sia il frutto della formazione di questi pianeti in aree distanti dal Sole, laddove si erano addensati i materiali più pesanti del disco protoplanetario. Nell'arricchimento di questi pianeti ha giocato un ruolo fondamentale l'intenso e prolungato bombardamento da parte di comete ed asteroidi ricchi di elementi pesanti.

Se queste dinamiche fossero universali i pianeti nettuniani dovrebbero presentare tutti una metallicità piuttosto elevata, tra varie decine ed il centinaio di volte maggiore rispetto ad una stella di tipo solare. E allora come mai HAT-P-26b possiede una metallicità pari ad appena 4.8 volte quella del Sole? Una metallicità molto più simile a quella di Giove (circa 5) che a quella di Nettuno (circa 100).

Nei 4 transiti osservati da Hubble e nei 2 rilevati da Spitzer (0.5-5 micrometri) è stata studiata approfonditamente la riga di assorbimento dell'acqua generalmente debole in questo tipo di pianeti eppure assai marcata in questo. E' stata utilizzata questa particolare riga perchè in condizioni di equilibrio l’acqua è l’unica sostanza relativamente abbondante che cresce proporzionalmente alla metallicità.

L'importante carenza di elementi pesanti all'interno dell'atmosfera di HAT-P-26b fa pensare ad un'atmosfera tersa composta principalmente da idrogeno ed elio e dunque primitiva, poco contaminata da altri materiali presenti nel disco o in altri planetesimi.
L'ipotesi che al momento va per la maggiore prevede la formazione del pianeta in un ambiente prossimo alla stella, dunque troppo caldo per la formazione di ghiacci e povero di materiali solidi. Si pensa inoltre che l'involucro di idrogeno ed elio si sia formato in un periodo successivo alla nascita del pianeta e alla presenza di altri planetesimi vaganti nel sistema.

Comprendere come tutto ciò sia possibile vorrà dire comprendere molto sulla nascita, l'evoluzione e la posizione di questa classe di esopianeti.

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GJ 436b : UN PIANETA CON LA CODA

Osservare il cielo in differenti 'luci', ovvero utilizzando differenti bande dello spettro elettromagnetico, ci permette di vedere ciò che i nostri occhi non sono in grado di mostrarci. Infatti l'occhio umano percepisce solo una piccolissima parte dello spettro elettromagnetico, la luce visibile, tralasciando oltre il 90% delle rimanenti frequenze che spaziano dai raggi gamma alle onde radio. In astronomia, per colmare questa limitazione biologica, sono stati costruiti appositi telescopi che indagano l'universo in quelle particolari frequenze ( radiotelescopi, telescopi ultravioletti ed infrarossi, telescopi gamma e microonde).
Applicando questo principio nella ricerca di pianeti extrasolari si possono osservare proprietà particolari di questi mondi che il semplice transito di fronte alla stella o l'interferenza gravitazionale non mostrerebbero. Una di queste proprietà è la caratterizzazione delle atmosfere planetarie: struttura, emissioni e temperatura.
Rivolgendo l'attenzione di Hubble sulla stella GJ 436, una nana rossa distante 33,5 anni luce da noi, è stata evidenziata una discrepanza tra l'osservazione nel visibile e quella nell'ultravioletto.
Si conosceva già la presenza in questo sistema di un pianeta di taglia nettuniana, denominato GJ 436b, su cui era stata osservata addirittura la presenza di nuvole composte in massima parte da elio. La recente osservazione multibanda ha però aggiunto un nuovo tassello al puzzle: il pianeta si sta comportando come una cometa.
Ciò significa che la sua spessa atmosfera sta evaporando, in questo caso al ritmo di 1000 tonnellate al secondo, lasciando dietro di se un'immensa scia di idrogeno lunga 50 volte il diametro della stella.... proprio come fa una cometa in prossimità del sole.
Il pianeta, estremamente vicino alla sua stella tanto da completare il suo anno in 2 giorni terrestri e mezzo, satura la sua orbita con questa coda di atomi di idrogeno che viene rinforzata ad ogni passaggio.

Parliamo di dimensioni. Durante il suo transito di fronte alla stella il pianeta occulta lo 0,69% della luce stellare, ma la sua scia oltre il 56%!
Soffermiamoci un attimo ora sul tasso di evaporazione dell'atmosfera di questo pianeta: 1000 tonnellate al secondo. Ragionando da terrestri è un numero enorme, ma qui parliamo di un pianeta con una massa paragonabile a quella di Nettuno ( 17 volte la massa della Terra). A questo ritmo il pianeta impiegherebbe 1 miliardo di anni per dimagrire solo dello 0,1%!  Inoltre si crede che il pianeta evaporasse molto di più in passato, quando la sua stella non era ancora una nana rossa, e da allora abbia perso fino al 10% della sua atmosfera ( l'età stimata del pianeta è di almeno 6 miliardi di anni).
Si ipotizza quindi che nel passato di sistemi analoghi tale ritmo di evaporazione fosse più elevato, liberando questi pianeti dalla loro spessa atmosfera e spiegando quindi la presenza di numerosi pianeti rocciosi. E' possibile che una vicenda simile sia accaduta anche alla neonata Terra: la sua densa atmosfera primordiale di idrogeno ed elio sarebbe evaporata analogamente a GJ 436b nell'arco di 100-500 milioni di anni a causa del vento e della radiazione solare.

In conclusione, il team autore della scoperta fa sapere che la tecnica di osservazione nell'ultravioletto utilizzata in questo studio potrebbe essere efficace anche nel rilevare oceani in evaporazione su pianeti rocciosi e miti di tipo terrestre. Le molecole d'acqua evaporate da un oceano potrebbero risalire gli strati atmosferici ed essere spezzate dalla radiazione stellare incidente sul pianeta in ossigeno ed idrogeno; quest'ultimo si disperderebbe come una scia alle spalle del pianeta potendo essere quindi rilevato.

GJ 1214b e GJ 436b : PROSSIMAMENTE MOLTO NUVOLOSO.

Per la prima volta gli astronomi hanno raggiunto la precisione strumentale necessaria per poter indagare la presenza o meno di nubi all'interno di un'atmosfera di un esopianeta. Fino ad oggi la presenza di nubi era solamente frutto della predizione di alcuni modelli teorici o deduzione a seguito di particolari condizioni chimicofisiche messe in evidenza dall'analisi spettrale dell'esoatmosfera.

L'atmosfera appartiene ad un pianeta già conosciuto dagli scienziati in quanto soggetto di numerosissimi altri studi ed è noto col nome di GJ 1214 b. Scoperto nel dicembre 2009, si tratta di una superterra, ovvero un pianeta che possiede una massa intermedia tra quella della Terra e quella di Nettuno.
Anche in questo blog avevamo già parlato di GJ 1214 b anche se il margine di incertezza degli risultati degli studi sulla sua atmosfera divideva gli astronomi tra due interpretazioni dei dati disponibili. La prima propendeva per un'atmosfera sgombra da nubi e composta principalmente da vapore acqueo (o altre molecole pesanti), la seconda invece raccontava di uno spesso strato di nubi posto ad alta quota (che non permetteva di indagare cosa si trovasse al di sotto di esse).

Ebbene un team di astronomi ha ora evidenziato con certezza la presenza di nubi nell'atmosfera del pianeta, utilizzando i dati raccolti dal Hubble Space Telescope.

Il famigerato telescopio ha osservato la luce di GJ 1214 filtrata dall'atmosfera del pianeta per ben 96 ore, spalmate in 11 mesi, collezionando un nuovo record: si tratta del tempo-telescopio più lungo dedicato da Hubble allo studio di un singolo esopianeta.

E' interessantissimo notare come il pianeta in esame sia tra i più vicini al nostro Sole, da cui dista solamente 42 anni luce, in direzione della costellazione di Ofiuco. Si tratta inoltre della superterra più facilmente osservabile da nostro pianeta grazie alla taglia media della sua stella e alla sua vicinanza al nostro pianeta. Il suo anno dura solamente 38 ore, permettendo agli studiosi potenziali analisi continue della sua atmosfera svolte con cadenza molto ravvicinata.

Un ulteriore team di astronomi ha rilevato con estrema accuratezza lo spettro nel vicino infrarosso di GJ 1214 b evidenziando il segnale inequivocabile della presenza di spesse nubi, che infatti nascondono molto bene qualunque segnale proveniente da quote minori o dalla superficie.

Lo stesso studio ha permesso di confermare la presenza di nubi anche su GJ 436 b, un pianeta nettuniano posto a 33,5 anni luce dal Sole (nella costellazione del Leone) ed orbitante attorno ad una nana rossa, al pari di GJ 1214 b. GJ 436 b possiede un anno che dura appena 2 giorni e 15 ore terrestri, utile per compiere studi approfonditi per la caratterizzazione della sua atmosfera.

Questo studio ha spinto le capacità strumentali di Hubble al limite, ma si attendono ulteriori e più approfonditi studi effettuati dal James Webb Space Telescope entro il 2020.


Approfondimenti:

http://www.nasa.gov/press/2013/december/nasas-hubble-sees-cloudy-super-worlds-with-chance-for-more-clouds/
http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7481/full/505031a.html
http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7481/full/nature12887.html
http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7481/full/nature12888.html
http://arxiv.org/abs/1401.0022


 
 

PICCOLO E ROCCIOSO?

Questa volta parliamo di una scoperta che, se confermata, farebbe compiere alla ricerca dei pianeti extrasolari un ulteriore e importantissimo balzo in avanti.
Kepler ci ha viziato con le sue scoperte rivoluzionarie, ma stavolta è il telescopio spaziale Spitzer a dare il meglio di sè. Entriamo nel merito della scoperta.
Il sistema in esame era già noto agli scienziati in quanto era in fase di studio GJ 436b, l'unico pianeta conosciuto. Si tratta di un pianeta appartenente alla classe degli 'Hot Neptune', ovvero un pianeta della taglia di Nettuno ma molto più caldo.
Analizzando più a fondo la luce infrarossa raccolta dalla stella del sistema, gli astronomi si sono accorti di piccoli ulteriori cali di luce che successive verifiche d'archivio hanno evidenziato come periodici. E si sa che quanto una stella non variabile intrinsecamente presenta variazioni periodiche di luminosità nella sua curva di luce, questo indizio può indicare la presenza di un pianeta che le orbita attorno.
L'importanza della scoperta sta anche nella novità che essa ha rappresentato per Spitzer. Mai Spitzer ha scoperto pianeti utilizzando la tecnica del transito, limitandosi solamente a compiere notevoli scoperte e rilevazioni su pianeti extrasolari già noti. Non solo, sarebbe al contempo anche il primo sistema multiplo scoperto dal telescopio spaziale infrarosso.

Ma gli strumenti in dotazione non danno certezze : non si può ancora dire con certezza che UCF-1.01, come  è stato battezzato, sia un pianeta e determinare con altrettanta certezza la massa. Gli astronomi attendono future osservazioni che confermino i loro indizi.
Quello che traspare dalle prime conclusioni è che si tratti di almeno un pianeta, di dimensioni pari a tre quarti  di quelle terrestri, dunque più piccolo della Terra! Ad oggi solo Kepler è stato in grado di scovare con certezza tre pianeti di dimensioni inferiori a quelle del nostro pianeta. 
Rivoluziona attorno alla sua stella in 1.38 giorni. Pare ci sia un secondo candidato, UCF-1.02, con massa circa pari a UCF-1.01 e periodo indeterminato. Secondo i modelli applicati a UCF-1.01, il pianeta presenterebbe una temperatura superficiale di 860 K, incompatibile con la vita come la conosciamo sulla Terra. Osservazioni a 4.5 micron sembrano confermare le previsioni di una tenue atmosfera povera di metano e ricca di monossido di carbonio, esistente almeno sul lato illuminato del pianeta.
Non meno interessante risulta essere la distanza di questo sistema dal Sole, stimata in soli 33 anni luce.

Articolo:
http://arxiv.org/abs/1207.4245