Una nuova finestra sulla formazione dei pianeti

La più grande indagine sulle rotazioni degli esopianeti conferma la relazione da tempo prevista tra massa planetaria e rotazione.

Gli astronomi che utilizzano l’Osservatorio W. M. Keck a Maunakea, isola delle Hawaiʻi, hanno confermato una relazione da tempo prevista tra massa planetaria e rotazione.

Misurando i tassi di rotazione di un ampio campione di pianeti extrasolari direttamente immaginati e di compagni nani marroni più massicci, i ricercatori hanno scoperto che i pianeti giganti gassosi ruotano più velocemente rispetto ai loro omologhi più massicci tenendo conto della loro massa, dimensione ed età.

Il risultato conferma una previsione teorica di lunga data e rappresenta la più grande indagine sulle misurazioni di spin per compagni direttamente immaginati fino ad oggi.

“Lo spin è un reso fossile di come si è formato un pianeta”, ha detto Dino Chih-Chun Hsu, autore principale e ricercatore presso la Northwestern University. “Misurando la rapidità con cui questi mondi ruotano, possiamo iniziare a ricostruire i processi fisici che li hanno modellati decine o centinaia di milioni di anni fa,”

Lo studio, guidato dalla Northwestern University, è pubblicato su The Astronomical Journal.

Il team ha utilizzato lo strumento Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) per isolare la luce di pianeti deboli che orbitano lontano dalle loro stelle ospitanti, al fine di misurare dettagli fini nelle loro atmosfere.

Man mano che questi mondi lontani ruotano, le caratteristiche nei loro spettri si allargano.

Analizzando queste caratteristiche ampliate, gli scienziati possono determinare quanto velocemente un pianeta sta ruotando.

“Con il KPIC possiamo rilevare questi minuscoli segnali che rivelano la rotazione di un pianeta attorno ad altre stelle vicine,” ha detto Hsu.

Molti dei pianeti studiati orbitano lontano dalle loro stelle, decine o centinaia di volte più lontano di quanto la Terra sia dal Sole.

Gli astronomi stanno ancora discutendo su come si formino mondi così lontani.

Alcuni possono crescere gradualmente all’interno di un disco di gas e polvere che circonda una stella giovane, mentre altri possono formarsi più simili a stelle in miniatura tramite collasso gravitazionale.

La nuova tendenza di spin identificata fornisce un indizio importante.

“I nostri risultati suggeriscono che sia la massa del pianeta sia il rapporto tra la massa del pianeta e quella della sua stella influenzano la velocità con cui il pianeta ruota inevitabilmente,” ha detto Hsu.

“Questo ci aiuta a restringere la fisica di come si formano questi sistemi.”

Un pianeta e una nana bruna nello studio illustrano questa complessità: uno dei famigerati pianeti in HR 8799, circa 7 volte la massa di Giove, ruota insolitamente veloce rispetto a una nana bruna compagna di 24 volte la massa di Giove.

Questo implica che la nana bruna abbia finito per ruotare 6 volte più lentamente del pianeta.

Questo può essere compreso poiché il pianeta ha subito una frenata a causa dell’interazione del suo campo magnetico con il disco attorno al pianeta durante la sua infanzia.

La rotazione di un compagno più massiccio veniva molto rallentata a causa di un campo magnetico più forte.

Capire come ruotano i pianeti giganti aiuta anche gli scienziati a comprendere la storia del nostro sistema solare.

Giove e Saturno ruotano entrambi rapidamente, completando ciascuno una rotazione in circa dieci ore. Poiché Giove è così massiccio, immagazzina una grande frazione dell’energia rotazionale del sistema solare.

“Il modo in cui il momento angolare viene distribuito tra i pianeti influenza l’architettura complessiva di un sistema planetario,” ha detto Hsu.

“Anche la rotazione e il campo magnetico della Terra alla fine si collegano a come quel bilancio di rotazione è stato diviso quando si è formato il sistema solare.”

La maggior parte delle misurazioni di spin nello studio è stata ottenuta utilizzando il KPIC, progettato specificamente per abbinare il sistema di ottica adattiva di Keck alla spettroscopia ad alta risoluzione.

Lo strumento è stato progettato e costruito da un team guidato da Dimitri Mawet, professore di astronomia al Caltech e ricercatore senior al JPL, e da un team di studenti, postdoc e ingegneri degli Osservatori Ottici del Caltech.

Lo strumento ha recentemente completato le sue ultime osservazioni a gennaio, segnando la fine di una corsa altamente produttiva.

“KPIC è il primo strumento del suo genere, aprendo un modo completamente nuovo di studiare gli esopianeti,” ha detto Hsu. “Ci ha permesso di misurare proprietà come lo spin che prima erano quasi impossibili da rilevare.”

Il team di ricerca prevede di ampliare i propri studi esaminando gli spin di oggetti di massa planetaria libera — mondi che derivano nello spazio senza una stella ospite — oltre a indagare la composizione chimica delle atmosfere planetarie in tutta la popolazione.

“Stiamo appena iniziando a esplorare cosa può dirci la rotazione planetaria,” disse Hsu. “Con strumenti futuri e telescopi più grandi, potremo misurare gli spin per ancora più mondi e collegare rotazione, chimica e storia della formazione attraverso interi sistemi planetari.”

Strumenti avanzati del futuro, incluso il prossimo HISPEC (High resolution Infrared Spectrograph for Exoplanet Characterization) dell’Osservatorio Keck, anch’esso guidato da Mawet, entreranno in funzione nel 2027.

Estenderà queste misurazioni a mondi ancora più piccoli e distanti.

“Abbiamo preso le lezioni apprese dal KPIC e le abbiamo inserite in HISPEC, che avrà una migliore sensibilità, maggiore risoluzione spettrale e una copertura di lunghezze d’onda più ampia”, ha detto Jason Wang, Assistant Professor alla Northwestern e coautore dello studio.

“Con HISPEC potremo aumentare drasticamente il numero di pianeti di cui possiamo misurare gli spin e, in particolare, potremo studiare pianeti più vicini al nostro Giove per vedere se il nostro Giove è tipico.”

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