Webb trova per la prima volta l’atmosfera su un pianeta extrasolare roccioso

Il gas che sale da una superficie ricoperta di lava su 55 Cancri e può alimentare un’atmosfera ricca di anidride carbonica o monossido di carbonio.

Al giorno d’oggi, rilevare l’atmosfera di un pianeta a decine o addirittura centinaia di anni luce dalla Terra potrebbe non sembrare un grosso problema. Gli scienziati hanno trovato prove di atmosfere che circondano dozzine di esopianeti negli ultimi due decenni. Il problema è che tutti questi pianeti hanno atmosfere spesse, dominate dall’idrogeno, che sono relativamente facili da studiare. Le sottili coperte di gas che circondano alcuni piccoli esopianeti rocciosi sono rimaste sfuggenti.

I ricercatori pensano di aver finalmente intravisto l’atmosfera ricca e instabile che circonda un pianeta roccioso. La luce emessa dalle aree calde è altamente radiante Pianeta extrasolare 55 Cancri e mostra prove convincenti di un’atmosfera, possibilmente ricca di anidride carbonica o monossido di carbonio, che sgorgherebbe da un vasto oceano di lava che ricopre la superficie del pianeta.

Il risultato è la migliore prova finora dell’esistenza di un’atmosfera per un pianeta roccioso al di fuori del nostro sistema solare.

Il concept di questo artista mostra come potrebbe apparire l’esopianeta 55 Cancri e. Chiamato anche Janssen, 55 Cancri e è una cosiddetta super-Terra, un pianeta roccioso molto più grande della Terra ma più piccolo di Nettuno, che orbita attorno alla sua stella a una distanza di appena 1,4 milioni di miglia (0,015 UA), completando un’orbita completa. In meno di 18 ore. (Mercurio è 25 volte più lontano dal Sole della sua stella, 55 Cancri e). Questo sistema, che comprende anche quattro grandi pianeti giganti gassosi, si trova a circa 41 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Cancro. Credito immagine: NASA, ESA, Agenzia spaziale canadese, Ralph Crawford (STScI)

Il telescopio spaziale Webb suggerisce una possibile atmosfera che circonda un pianeta extrasolare roccioso

I ricercatori usano NASA‘S Telescopio spaziale James Webb Potrebbero aver rilevato gas atmosferici che circondano 55 Cancri e, un esopianeta caldo e roccioso situato a 41 anni luce dalla Terra. Questa è la prova migliore che qualsiasi pianeta roccioso al di fuori del nostro sistema solare abbia un’atmosfera.

Renew proviene dal Jet Propulsion Laboratory della NASA (Laboratorio di propulsione a reazione) a Pasadena, in California, è l’autore principale di un articolo pubblicato l’8 maggio natura. “Webb spinge i confini della caratterizzazione degli esopianeti fino ai pianeti rocciosi”, ha detto Hu. “Permette davvero un nuovo tipo di scienza”.

Terra supercalda 55 Cancri E

55 Cancri e, noto anche come Janssen, è uno dei cinque pianeti conosciuti in orbita attorno alla stella simile al Sole 55 Cancri, nella costellazione del Cancro. Con un diametro quasi doppio di quello della Terra e una densità leggermente maggiore, il pianeta è classificato come una super-Terra: più grande della Terra e più piccolo della Terra. NettunoProbabilmente hanno una composizione simile ai pianeti rocciosi del nostro sistema solare.

Descrivere il 55 Cancri e come “roccioso” potrebbe però lasciare un’impressione sbagliata. Il pianeta orbita vicino alla sua stella (circa 1,4 milioni di miglia, o 20/25 della distanza tra Mercurio e il Sole), e la sua superficie è probabilmente fusa, un oceano ribollente di magma. Con un’orbita così stretta, il pianeta è probabilmente anche bloccato in base alle maree, con il suo lato diurno rivolto sempre verso la stella e il suo lato notturno nell’oscurità perpetua.

Nonostante numerose osservazioni da quando è stato scoperto il suo transito nel 2011, la questione se 55 Cancri e abbia o meno un’atmosfera – o addirittura Potevo Uno di essi è rimasto senza risposta a causa della sua elevata temperatura e del costante attacco delle radiazioni stellari e dei venti provenienti dalla sua stella.

“Lavoro su questo pianeta da più di un decennio”, ha detto Diana Dragomir, ricercatrice di esopianeti presso l’Università del New Mexico e coautrice dello studio. “È stato davvero frustrante che nessuno dei feedback che abbiamo ricevuto abbia fornito una soluzione solida a questi misteri. Sono felice che finalmente abbiamo delle risposte!”

A differenza delle atmosfere dei pianeti giganti gassosi, che sono relativamente facili da rilevare ( È stato rivelato per la prima volta Dalla NASA Telescopio spaziale Hubble Per più di due decenni), le atmosfere più sottili e dense che circondano i pianeti rocciosi sono rimaste sfuggenti.

Precedenti studi su 55 Cancri e, utilizzando i dati del telescopio spaziale Spitzer della NASA, ormai in pensione, hanno suggerito la presenza di una grande atmosfera ricca di sostanze volatili (molecole che si trovano sotto forma di gas sulla Terra) come ossigeno, azoto e anidride carbonica. Ma i ricercatori non sono riusciti a escludere un’altra possibilità: che il pianeta sia vuoto, fatta eccezione per una fragile coltre di roccia evaporata, ricca di elementi come silicio, ferro, alluminio e calcio. “Il pianeta è così caldo che parte della roccia fusa deve essere evaporata”, ha spiegato Ho.

Questa curva di luce mostra il cambiamento di luminosità del sistema 55 Cancri, mentre il pianeta roccioso 55 Cancri e, il più vicino dei cinque pianeti conosciuti nel sistema, si muove dietro la stella. Questo fenomeno è noto come eclissi secondaria.
Quando il pianeta è vicino alla stella, la luce nel medio infrarosso proveniente sia dalla stella che dal lato diurno del pianeta raggiunge il telescopio, facendo apparire il sistema più luminoso. Quando il pianeta è dietro la stella, la luce proveniente dal pianeta viene bloccata e solo la luce della stella raggiunge il telescopio, con conseguente diminuzione della luminosità apparente.
Gli astronomi possono sottrarre la luminosità di una stella dalla luminosità combinata della stella e del pianeta per calcolare quanta luce infrarossa proviene dal lato diurno del pianeta. Questa viene poi utilizzata per calcolare la temperatura diurna e dedurre se il pianeta ha o meno un’atmosfera.
Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Misura le sottili differenze nei colori infrarossi

Per distinguere tra le due possibilità, il team ha utilizzato la NIRCam (fotocamera nel vicino infrarosso) e il MIRI (strumento nel medio infrarosso) di Webb per misurare la luce infrarossa da 4 a 12 micron proveniente dal pianeta.

Sebbene Webb non possa acquisire un’immagine diretta di 55 Cancri e, può misurare sottili cambiamenti nella luce proveniente dal sistema mentre il pianeta orbita attorno alla stella.

Sottraendo la luminosità durante un’eclissi secondaria (vedi immagine sopra), quando il pianeta è dietro la stella (solo luce stellare), dalla luminosità quando il pianeta è proprio accanto alla stella (luce proveniente dalla stella e dal pianeta combinati), il team è stato in grado di calcolare la quantità di diverse lunghezze d’onda dei raggi della luce infrarossa proveniente dal lato diurno del pianeta.

Questo metodo, noto come spettroscopia di eclissi secondaria, è simile a quello utilizzato da altri gruppi di ricerca per cercare atmosfere su altri esopianeti rocciosi, come TRAPPIST-1 b.

Lo spettro di emissione termica catturato da Webb NIRCam (Near Infrared Camera) nel novembre 2022 e MIRI (Mid-Infrared Instrument) nel marzo 2023, mostra la luminosità (asse y) di diverse lunghezze d’onda della luce infrarossa (asse x) emessa. Dal gigantesco pianeta extrasolare 55 Cancri e. Lo spettro mostra che il pianeta potrebbe essere circondato da un’atmosfera ricca di anidride carbonica o monossido di carbonio e altre sostanze volatili, non solo di roccia vaporizzata.
Il grafico confronta i dati raccolti da NIRCam (punti arancioni) e MIRI (punti viola) con due diversi modelli. Il modello A, in rosso, mostra come dovrebbe apparire lo spettro di emissione di 55 Cancri e se avesse un’atmosfera fatta di roccia in evaporazione. Il modello B, in blu, mostra come dovrebbe apparire lo spettro di emissione se il pianeta avesse un’atmosfera ricca di volatili emessa da un oceano di magma che ha un contenuto volatile simile al mantello terrestre. I dati MIRI e NIRCam sono coerenti con il modello ricco di volatili.
La quantità di luce nel medio infrarosso emessa dal pianeta (MIRI) mostra che la temperatura diurna è molto più bassa di quella che sarebbe se non avesse un’atmosfera per distribuire il calore dal lato diurno a quello notturno. Il calo nello spettro tra 4 e 5 micron (dati NIRCam) può essere spiegato dall’assorbimento di tali lunghezze d’onda da parte delle molecole di monossido di carbonio o di biossido di carbonio nell’atmosfera.
Crediti immagine: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Università di Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Più freddo del previsto

La prima indicazione che 55 Cancri e potrebbe avere un’atmosfera significativa è venuta dalle misurazioni della temperatura basate sulla sua emissione termica (vedi immagine sopra), ovvero energia termica emessa sotto forma di luce infrarossa. Se il pianeta fosse ricoperto di roccia scura e fusa con un sottile velo di roccia vaporizzata o senza atmosfera, il lato diurno dovrebbe essere di circa 4.000 gradi F (~2200 gradi Centigrado).

“Invece, i dati MIRI hanno mostrato una temperatura relativamente bassa di circa 2.800 gradi Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]Egli ha detto. “Questa è un’indicazione molto forte che l’energia è distribuita dal lato diurno a quello notturno, molto probabilmente attraverso un’atmosfera volatile e ricca”. Sebbene i flussi di lava possano trasportare parte del calore verso il lato notturno, non possono spostarlo in modo sufficientemente efficiente da giustificare l’effetto di raffreddamento.

Quando il team ha esaminato i dati NIRCam, ha visto modelli coerenti con un’atmosfera ricca e instabile.

“Vediamo prove di un calo nello spettro tra 4 e 5 micron, e meno di questa luce raggiunge il telescopio”, ha spiegato il coautore Aaron Bello-Aroff, anche lui del JPL della NASA. “Ciò indica la presenza di un’atmosfera contenente monossido di carbonio o anidride carbonica, che assorbe queste lunghezze d’onda della luce”. Un pianeta privo di atmosfera o un’atmosfera costituita solo da roccia vaporizzata non avrebbe questa specifica caratteristica spettrale.

“Abbiamo passato gli ultimi 10 anni a modellare diversi scenari, cercando di immaginare come potrebbe apparire questo mondo”, ha affermato la coautrice Yamila Miguel dell’Osservatorio di Leiden e dell’Istituto olandese per la ricerca spaziale (SRON). “Finalmente otteniamo una conferma per il nostro prezioso lavoro!”

Oceano di magma ribollente

Il team ritiene che i gas che ricoprono 55 Cancri e emergeranno dall’interno, anziché essere presenti sin dalla formazione del pianeta. “L’atmosfera centrale sarebbe scomparsa molto tempo fa a causa dell’alta temperatura e dell’intensa radiazione della stella”, ha detto Bello-Arov. “Questa sarà un’atmosfera secondaria che verrà costantemente rifornita dall’oceano di magma. Il magma non è composto solo da cristalli liquidi e rocce, contiene anche molto gas disciolto.

Sebbene 55 Cancri e sia troppo caldo per essere abitabile, i ricercatori ritengono che potrebbe fornire una finestra unica per studiare le interazioni tra l’atmosfera, le superfici e gli interni dei pianeti rocciosi e forse offrire informazioni sulle condizioni della Terra primordiale. VenereE MarteSi ritiene che in un lontano passato fosse coperto da oceani di magma. “In definitiva, vogliamo capire quali condizioni rendono possibile per un pianeta roccioso mantenere un’atmosfera ricca di gas: un ingrediente essenziale per un pianeta abitabile”, ha detto Hu.

Questa ricerca è stata condotta come parte del programma Webb del General Observers (GO) per il 1952. Ulteriori osservazioni secondarie di eclissi di 55 Cancri e sono attualmente in fase di analisi.

Riferimento: “Un’atmosfera secondaria sull’esopianeta roccioso 55 Cancri e” di Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker e Bryce Olivier Demauri, 8 maggio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Il James Webb Space Telescope è il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo. Webb risolve i misteri del nostro sistema solare, guarda oltre i mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplora le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. WEB è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner l’Agenzia spaziale europea (ESA).Agenzia spaziale europea) e l’Agenzia spaziale canadese.