Webb rivela l’origine dell’esopianeta ultra-caldo WASP-121b

La rilevazione del metano atmosferico e del monossido di silicio suggerisce che abbia avuto origine in una regione analoga al dominio del Sistema Solare dei giganti gassosi e ghiacciati.

Le osservazioni con il James Webb Space Telescope (JWST) hanno fornito nuovi indizi su come si è formato l’esopianeta WASP-121b e dove potrebbe aver avuto origine nel disco di gas e polvere attorno alla sua stella.

Queste intuizioni derivano dal rilevamento di più molecole chiave: vapore acqueo, monossido di carbonio, monossido di silicio e metano.

Con queste rilevazioni, un team guidato dagli astronomi Thomas Evans-Soma e Cyril Gapp è stato in grado di compilare un inventario del carbonio, dell’ossigeno e del silicio nell’atmosfera di WASP-121b.

Il rilevamento di metano, in particolare, suggerisce anche forti venti verticali sul lato notturno più freddo, un processo spesso ignorato nei modelli attuali.

WASP-121b è un pianeta gigante ultra-caldo che orbita attorno alla sua stella ospite a una distanza di circa il doppio del diametro della stella, completando un’orbita in circa 30,5 ore.

Il pianeta presenta due emisferi distinti: uno che è sempre rivolto verso la stella ospite, con temperature localmente superiori a 3000 gradi Celsius, e uno eterno lato notturno dove le temperature scendono a 1500 gradi.

“Le temperature diurne sono abbastanza alte da consentire ai materiali refrattari – tipicamente composti solidi resistenti al calore forte – di esistere come componenti gassosi dell’atmosfera del pianeta”, ha spiegato Thomas Evans-Soma.

È un astronomo affiliato al Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, e all’Università di Newcastle, in Australia. Ha guidato lo studio pubblicato su Nature Astronomy.

Il team ha studiato l’abbondanza di composti che evaporano a temperature molto diverse, fornendo indizi sulla formazione e l’evoluzione del pianeta.

“I materiali gassosi sono più facili da identificare rispetto ai liquidi e ai solidi”, ha osservato Cyril Gapp, studente dell’MPIA, autore principale di un secondo studio pubblicato su The Astronomical Journal.

“Poiché molti composti chimici sono presenti in forma gassosa, gli astronomi usano WASP-121b come laboratorio naturale per sondare le proprietà delle atmosfere planetarie”.

L’equipe ha concluso che WASP-121b probabilmente ha accumulato la maggior parte del suo gas in una regione abbastanza fredda da permettere all’acqua di rimanere congelata ma sufficientemente calda per il metano (CH₄) di evaporare ed esistere nella sua forma gassosa.

Poiché i pianeti si formano all’interno di un disco di gas e polvere che circonda una giovane stella, tali condizioni si verificano a distanze in cui la radiazione stellare crea le temperature appropriate.

Nel nostro Sistema Solare, questa regione si trova da qualche parte tra le orbite di Giove e Urano.

Questo è notevole, dato che WASP-121b ora orbita pericolosamente vicino alla superficie della sua stella ospite.

Suggerisce che, dopo la sua formazione, abbia intrapreso un lungo viaggio dalle regioni esterne ghiacciate al centro del sistema planetario.

Il silicio è stato rilevato come monossido di silicio (SiO), ma originariamente è entrato nel pianeta attraverso materiale roccioso come il quarzo immagazzinato nei planetesimi – essenzialmente asteroidi – dopo aver acquisito la maggior parte del suo involucro gassoso.

La formazione dei planetesimi richiede tempo, indicando che questo processo si è verificato durante le fasi successive dello sviluppo planetario.

Mentre i pianeti neonati orbitano attorno alle loro stelle ospiti, possono crescere abbastanza da aprire notevoli lacune all’interno del disco protoplanetario.

Questo ferma la deriva verso l’interno dei ciottoli e l’alimentazione con i ghiacci incorporati, ma lascia abbastanza gas disponibile per costruire un’atmosfera estesa.

Nel caso di WASP-121b, questo sembra essere avvenuto in un luogo in cui i ciottoli di metano sono evaporati, arricchendo il gas che il pianeta forniva di carbonio. Al contrario, i ciottoli d’acqua sono rimasti congelati, bloccando l’ossigeno.

Questo scenario spiega meglio perché Evans-Soma e Gapp hanno osservato un rapporto carbonio/ossigeno più elevato nell’atmosfera del pianeta rispetto alla sua stella ospite. WASP-121b ha continuato ad attrarre gas ricco di carbonio dopo che il flusso di ciottoli ricchi di ossigeno si era fermato, stabilendo la composizione finale del suo involucro atmosferico.

Al variare della temperatura di un’atmosfera, si prevede che le quantità di diverse molecole, come il metano e il monossido di carbonio, varino.

Alle altissime temperature diurne di WASP-121b, il metano è altamente instabile e non sarà presente in quantità rilevabili.

Gli astronomi hanno determinato per pianeti come WASP-121b che il gas proveniente dall’emisfero diurno dovrebbe essere mescolato all’emisfero notturno relativamente freddo più velocemente di quanto la composizione del gas possa adattarsi alle temperature più basse.

In questo scenario, ci si aspetterebbe che l’abbondanza di metano sia trascurabile sul lato notturno, proprio come lo è sul lato diurno. Quando invece gli astronomi hanno rilevato abbondante metano sul lato notturno di WASP-121b, è stata una sorpresa totale.

Per spiegare questo risultato, il team propone che il gas metano debba essere rapidamente rifornito sul lato notturno per mantenere la sua elevata abbondanza.

Un meccanismo plausibile per fare ciò coinvolge forti correnti verticali che sollevano il gas metano dagli strati atmosferici inferiori, che sono ricchi di metano grazie alle temperature notturne relativamente basse combinate con l’alto rapporto carbonio-ossigeno dell’atmosfera.

“Questo sfida i modelli dinamici degli esopianeti, che probabilmente dovranno essere adattati per riprodurre il forte rimescolamento verticale che abbiamo scoperto sul lato notturno di WASP-121b”, ha detto Evans-Soma.

L’equipe ha utilizzato il Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) del JWST per osservare WASP-121b durante la sua orbita completa attorno alla sua stella ospite. Mentre il pianeta ruota sul suo asse, la radiazione termica ricevuta dalla sua superficie varia, esponendo diverse porzioni della sua atmosfera irradiata al telescopio.

Ciò ha permesso al team di caratterizzare le condizioni e la composizione chimica del lato diurno e notturno del pianeta.

Gli astronomi hanno anche catturato osservazioni mentre il pianeta transitava davanti alla sua stella.

Durante questa fase, un po’ di luce stellare filtra attraverso il bordo atmosferico del pianeta, lasciando impronte digitali spettrali che rivelano la sua composizione chimica.

Questo tipo di misura è particolarmente sensibile alla regione di transizione in cui si mescolano i gas provenienti dal lato diurno e notturno.

“Lo spettro di trasmissione emergente ha confermato i rilevamenti di monossido di silicio, monossido di carbonio e acqua che sono stati effettuati con i dati sulle emissioni”, ha osservato Gapp. “Tuttavia, non siamo riusciti a trovare metano nella zona di transizione tra il lato diurno e quello notturno”.

The post Webb rivela l’origine dell’esopianeta ultra-caldo WASP-121b appeared first on Cronache di Scienza.