LA DIVERSITA' DEI GEMELLI

La scoperta di cui parliamo oggi mette l'accento sulla caratterizzazione dei pianeti extrasolari. Tra le migliaia di mondi che oggi conosciamo, molti ormai si somigliano ad esempio per massa o dimensioni. Eppure non possiamo pensare che due pianeti con stesse caratteristiche siano necessariamente uguali e ciò vale soprattutto per l'aspetto di questi mondi. 

Hubble ha osservato due stelle simili al Sole, HAT-P-38 e WASP-67, concentrandosi sui due pianeti giganti gassosi che vi orbitano attorno, rispettivamente HAT-P-38b e WASP-67b.

Nonostante essi abbiano simile taglia, massa, temperatura e stella madre, gli astronomi hanno voluto saperne di più e hanno cercato di ricostruirne l'aspetto suggerito dai dati raccolti.

Autrice di queste fini osservazioni è la camera WFC3 di Hubble, giò molte volte utilizzata in passato per lo studio e la caratterizzazione dei pianeti extrasolari. 

La vera scoperta sta dunque nell'analisi spettroscopica delle due atmosfere, simili nella struttura ed assai diverse nella composizione chimica! 

Questa evidenza non può significare altro se non una genesi differente dei due involucri gassosi.

L'atmosfera di WASP-67b è più densa di nubi rispetto a quella che circonda HAT-P-38b.

Analizzando l'emissione spettrale delle molecole d'acqua presenti nelle due atmosfere, gli astronomi sono anche riusciti a riconoscere e quantificare l'incidenza della presenza di nubi su tale emissione, potendo stimare quindi l'abbondanza di nubi presenti sui due pianeti. In termini del tutto generali tale nuvolosità provoca un'attenuazione nel segnale prodotto dalle molecole d'acqua.

Tali differenze nella composizione chimica e nella nuvolosità potrebbero essere state causate da vari fattori passati come eventi globali, migrazioni planetarie, cambiamenti delle condizioni ambientali in cui si sono evoluti i due mondi.

I due pianeti sono molto vicini alla loro stella e completano il loro anno in appena 4 giorni e mezzo. Tale condizione li vincola a mostrare sempre il medesimo emisfero alla stella, producendo un dì perenne rovente (700°C) ed una notte perenne più fredda sull'altro emisfero. Le nubi che si addensano su questi pianeti potrebbero essere formate da cloruro di potassio e solfuro di sodio.

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UNA ROVENTE SOLITUDINE

Oggi si conoscono centinaia di pianeti solitari ( noti anche come "orfani" o "interstellari"). Si tratta di una particolare categoria di pianeti che vaga liberamente nello spazio cosmico senza alcun legame orbitale che li vincoli ad una stella. Si tratta di pianeti, quindi, su cui non sorge mai uno o più soli, non ci sono albe e tramonti, bensì una perenne notte cosmica.
Uno di questi, attualmente a soli 75 anni luce dalla Terra, è stato studiato in dettaglio nella banda infrarossa, che mette in particolare risalto questa tipologia di corpi celesti.
Lo studio di questi pianeti, della loro atmosfera e della loro superficie è da una parte più agevole grazie all'assenza dell'abbagliante luce stellare che copre la luce emessa dal pianeta, dall'altra più complicata in quanto si tratta di corpi difficili da scovare poichè non perturbano gravitazionalmente la loro stella e/o non la eclissano. Dunque vengono riconosciuti grazie all'emissione di radiazione infrarossa.
Il pianeta è attualmente noto come PSO J318.5-22 ed è un mondo di dimensioni analoghe a quelle del nostro Giove, ma 8 volte più massiccio. Il suo periodo di rotazione (il secondo ad essere studiato in dettaglio dopo quello di Beta Pictoris b),  è compreso tra le 5 e le 20 ore. Si tratta inoltre di un pianeta estremamente giovane, appena 20 milioni di anni, il che fa ipotizzare la sua espulsione da parte di un sistema planetario in formazione entro alcuni anni luce; tale sistema potrebbe trovarsi nella fase iniziale di riordino delle orbite e quindi i corpi di massa minore o quelli posti su orbite instabili vengono espulsi dai corpi più massicci presenti nel sistema.
Accennavamo all'oscurità che pervade l'intera superficie del pianeta. Questa situazione è perfetta, per noi osservatori, in quanto ci permette di cogliere le variazioni nell'emissione di radiazione da parte della superficie e dell'atmosfera, che altrimenti si sarebbero perse con l'interferenza stellare.
Ebbene, ciò che risulta dallo studio è che questo pianeta gigante possiede numerosi strati di nubi sottili e spesse le cui mutazioni sono alla base delle differenze di luminosità riscontrate dalla luce infrarossa emessa dal pianeta. Per tutta finestra temporale all'interno della quale il team ha raccolto i dati ed ha compiuto le osservazioni, la radiazione raccolta ha mostrato tra l'altro un mondo particolarmente rosso, sintomo di una copertura nuvolosa globale e consistente.
Nonostante si tratti di un mondo perso nel freddo cosmico, senza il calore di una stella, la sua temperatura superficiale è di oltre 800°C, il che fa pensare ad un pianeta che ancora mantiene il calore derivante dalla sua formazione e che non è ancora riuscito a dissiparlo.
Ma tali condizioni estreme hanno fatto ipotizzare che tali nubi siano composte da materiale fuso, compatibile con silicati caldi e gocce di ferro.
Tale studio sull'atmosfera utilizza tecniche che il team vorrebbe applicare a qualunque pianeta ed in particolare a quelli ritenuti promettenti per la ricerca della vita, dimostrando come le nubi siano un carattere onnipresente su quasi tutte le tipologie di pianeti note.
Il pianeta si trova nella costellazione australe del Pittore ( 21h14m08s, -22°51'37").

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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.

GJ1214 : ECLISSI DI MACCHIA STELLARE

Utilizzando uno degli strumenti più avanzati oggi a disposizione dei cacciatori di pianeti extrasolari, il Large Binocular Telescope, è stato possibile compiere un'osservazione senza precedenti: rilevare il transito di un pianeta extrasolare su una macchia stellare.
Come abbiamo detto più volte in questo blog, gli strumenti attualmente disponibili si collocano al limite per ciò che concerne la possibilità di osservare dettagli superficiali o atmosferici degli esopianeti. In rarissimi casi è stato possibile fare qualcosa di simile osservando alcuni esopianeti in differenti lunghezze d'onda e mettendo insieme i dati raccolti in modelli verosimili.
Infatti, eccezioni a parte, possiamo affermare che per ora di un pianeta extrasolare possiamo osservare la luce emessa o riflessa e conseguentemente l'immenso carico di informazioni che questa porta con sè.
Il pianeta in questione e la stella attorno a cui orbita sono già noti da tempo alla comunità astronomica e sono stati oggetto di numerosi studi approfonditi.

La stella è una nana rossa piuttosto irrequieta con un raggio pari a 1/5 di quello solare ed una massa pari ad 1/6, la cui temperatura superficiale si aggira attorno ai 3000 K (la metà di quella del Sole). Il sistema si trova a 42 anni luce in direzione della costellazione dell'Ofiuco.
Il pianeta, scoperto nel 2009 e noto come GJ1214J, è catalogato come superterra e durante la sua fase di transito sul disco della stella ha eclissato una grossa macchia stellare permettendo agli astronomi di raccogliere dati preziosissimi sfruttando questo inedito evento.
Tale occultazione ha permesso di calcolare con grande precisione la temperatura della macchia stellare e le dimensioni del pianeta utilizzando i dati raccolti in osservazioni condotte su due lunghezze d'onda differenti.
La prova della correttezza delle osservazioni non si è fatta attendere in quanto già insita nella struttura stessa del telescopio utilizzato per compiere lo studio.
Le osservazioni sono state condotte contemporaneamente da rilevatori posti nel fuoco dei due grandi specchi del Large Binocular Telescope e l'esito ottenuto è stato immediatamente confrontato ed è risultato essere il medesimo.
Il pianeta possiede un raggio pari a 2,7 volte quello terrestre ed è avvolto da uno spesso strato di nubi posto ad alta quota. La sua massa, pari a 6,5 volte quella terrestre, ha acceso l'interesse degli astronomi. GJ1214b appartiene ad una classe di pianeti che non ha eguali nel nostro sistema e quindi di estremo interesse: si tratta di pianeti terrestri giganti (dunque rocciosi) oppure di pianeti nettuniani in miniatura con una spessa e densa atmosfera estesa di idrogeno ed elio? Comprendere la natura di questo pianeta potrebbe far luce sulla struttura di questa semisconosciuta classe di mondi alieni.

La temperatura della macchia è stata stimata (grazie alla fotometria multicolore, che confronta i dati raccolti nel blu e nel rosso) essere 110 K più fredda della fotosfera stellare ed il suo studio ha permesso per la prima volta il calcolo del periodo di rotazione della stella: 80 giorni terrestri.

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