MAI RILEVATI PRIMA NELL’ATMOSFERA DI UN PIANETA EXTRASOLARE

Radicali idrossilici nell’atmosfera di Wasp-33b

Grazie ai dati ottenuti dallo spettrografo a infrarossi Ird montato sul telescopio Subaru da 8.2 metri dell’Osservatorio di Mauna Kea, nelle Hawaii, un team di astronomi ha scoperto la firma del radicale idrossile nell’atmosfera del gioviano ultracaldo Wasp-33b. Con il commento di Matteo Brogi, professore all’Università di Warwick, nel Regno Unito, associato Inaf e coautore dello studio

     29/04/2021
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Una collaborazione internazionale di astronomi guidati dall’Astrobiology Center e dal National Astronomical Observatory di Osawa, in Giappone, e dalla Queen’s University di Belfast, nel Regno Unito, ha rilevato nell’atmosfera di un pianeta extrasolare la presenza di una nuova specie chimica la cui firma non era mai stata ottenuta prima d’ora.

Illustrazione artistica del gioviano ultra-caldo Wasp-33b in orbita attorno alla sua stella madre, Wasp-33. Crediti immagine: Astrobiology Center

L’esopianeta in questione è Wasp-33b, un gioviano ultra-caldo, ovvero un mondo che orbita così vicino alla sua stella – Hd15082, o Wasp-33, – che la sua temperatura superficiale potrebbe riuscire a fondere la maggior parte dei metalli: oltre i 2500 gradi Celsius. La specie chimica, trovata nel lato diurno del mondo alieno, è il radicale idrossile (·OH), una molecola che nell’atmosfera terrestre è prodotta fotochimicamente per reazione del vapore acqueo con l’ossigeno atomico nel processo di fotolisi dell’ozono e che per la sua elevata reattività, dovuta alla presenza dell’elettrone spaiato,  svolge il ruolo di “detergente dell’atmosfera” – termine coniato dal Nobel per la chimica Paul Crutzen, recentemente scomparso, per descrivere l’azione purificante nei confronti di gas inquinanti presenti nell’atmosfera.

La tecnica utilizzata dai ricercatori per trovare la molecola si basa sulla spettroscopia ad altissima risoluzione con telescopi da terra e su una tecnica di processamento del segnale chiamata cross-correlazione. Lo strumento utilizzato è stato l’InfraRed Doppler (Ird), uno spettrografo a infrarossi montato sul telescopio Subaru di 8,2 metri di diametro situato all’Osservatorio di  Maunakea, nelle Hawaii, che ha permesso di ottenere lo spettro del pianeta – acquisito in questo caso non esattamente durante un transito ma con uno sfasamento di circa mezza orbita, dunque mentre il pianeta rivolgeva il lato illuminato verso l’osservatore (la cosiddetta dayside spectroscopy). Un’impronta nella quale gli scienziati hanno chiaramente distinto la firma del radicale idrossilico. Una firma la cui significatività statistica è di 5.5 sigma: mezzo punto al di sopra del minimo sindacale richiesto affinché un risultato scientifico di questo tipo possa essere ritenuto valido.

«Questa è la prima evidenza diretta della presenza del radicale OH nell’atmosfera di un pianeta fuori dal Sistema solare», sottolinea Stevanus Nugroho, ricercatore dell’Astrobiology Center di Osawa e primo autore dello studio. «Una prova che mostra non solo che gli astronomi possono rilevare questa molecola nelle atmosfere di esopianeti, ma anche che possono iniziare a comprendere la chimica dettagliata di questa popolazione di pianeti».

Ma come si sarebbe formata sul pianeta questa specie reattiva? Secondo quanto riportato nello studio, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, la molecola potrebbe essere il prodotto della distruzione dell’acqua allo stato gassoso mediata dalle elevate temperature superficiali.

Matteo Brogi, professore all’Università di Warwick (Regno Unito) e associato Inaf all’Osservatorio astrofisico di Torino

«La dissociazione termica alle temperature di Wasp-33b è una predizione teorica robusta, e non ci sono altri meccanismi noti che possano generare OH in quantità sufficienti da essere misurate spettroscopicamente», spiega a Media Inaf Matteo Brogi, professore all’Università di Warwick, nel Regno Unito, e associato Inaf, anch’egli nel team che ha realizzato la scoperta. «Ma c’è un altro pezzo del puzzle che va in direzione della dissociazione termica: se è il vapore acqueo a generare OH tramite dissociazione, l’abbondanza di H2O scende di conseguenza, rendendo la sua rivelazione molto più difficile. E questo è proprio quello che succede nelle nostre osservazioni: vediamo un debole segnale dal vapore acqueo, molto più debole di quello che ci aspetteremmo se la dissociazione termica non fosse responsabile per la produzione dell’OH».

Resta dunque da chiedersi che ruolo abbia il radicale nell’atmosfera del pianeta. «È importante capire che in un pianeta ultra-caldo come Wasp-33b OH ha un ruolo molto diverso da quello che ha – per esempio – sul nostro pianeta», sottolinea a questo proposito Brogi. «Sulla Terra OH è principalmente prodotto tramite la reazione del vapore acqueo con ossigeno, ed è considerato un “detergente” in quanto ha un ruolo importante nel distruggere gas dannosi come metano o monossido di carbonio. In un pianeta molto più caldo, come Wasp-33b, OH gioca un ruolo cruciale nel determinare la chimica, perché interagisce sia con il vapore acqueo che con il monossido di carbonio. Quest’ultime sono le due specie più abbondanti se il pianeta rispecchia la composizione della nube molecolare da cui si è formata la stella madre, e quindi ogni reazione chimica che ne altera il bilancio va studiata attentamente per non trarre le conclusioni sbagliate. La misura dell’OH ci consente di avanzare notevolmente nella comprensione di queste catene chimiche».

Quanto all’importanza della scoperta, conclude il ricercatore, «ogni volta che una nuova specie è misurata, specialmente in condizioni così estreme come nel caso del pianeta in questione, si arricchisce il potenziale investigativo delle osservazioni esoplanetarie. Con solo una o due molecole è difficile risalire alla composizione chimica delle atmosfere, ma avendo a disposizione un intero set (al momento sono state trovate almeno 8 molecole in varie atmosfere) e confrontando la loro abbondanza si può trarre un quadro molto più completo. Questo, a sua volta, ci consente di capire meglio l’origine dei pianeti gassosi caldi o ultra-caldi, e i vari processi fisici e chimici che sono all’opera».

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