Wasp-121b, anche noto col nome di Tylos, è un gigante ultra-caldo situato a circa 858 anni luce dalla Terra, in direzione della costellazione della Poppa. L’esopianeta è in rotazione sincrona con la sua stella madre, Wasp-121: ciò significa che il periodo di rotazione su se stesso del pianeta è uguale al periodo di rivoluzione – il tempo necessario a completare un’orbita intorno alla stella, pari a circa 30 ore. La conseguenza di questo fenomeno è che Wasp-121 presenta due emisferi distinti: uno sempre rivolto verso la stella madre, con temperature superficiali superiori ai 3mila gradi Celsius, e uno perennemente in ombra, con temperature che possono scendere fino a 1500 gradi.
Illustrazione artistica che mostra Wasp-121b nella fase di accumulo della maggior parte del suo gas. Secondo i ricercatori, durante la sua formazione, il pianeta ha ripulito la sua orbita originale, molto distante dalla stella, dai ciottoli solidi. Questo vuoto ha impedito ad altri aggregati di raggiungere il pianeta. Successivamente, Wasp-121b è migrato dalle fredde regioni esterne verso il disco interno, dove ora orbita vicino alla sua stella. Crediti: T. Müller (Mpia/HdA)
Utilizzando il James Webb Space Telescope, un team di ricercatori guidati dal Max Planck Institute for Astronomy (Mpia, Germania) ha ora caratterizzato la composizione chimica dell’atmosfera di entrambe gli emisferi, ricavando nuove informazioni su dove e come il pianeta potrebbe essersi formato nel disco di gas e polveri che circondava la sua stella.
I risultati dello studio, pubblicati questa settimana su Nature Astronomy, si basano su osservazioni effettuate con lo spettrografo nel vicino infrarosso NirSpec del telescopio per l’intera orbita del pianeta. Poiché la radiazione termica emessa dal pianeta varia durante la sua rotazione, i ricercatori sono riusciti a osservare porzioni diverse della sua atmosfera. Inoltre, sono state effettuate osservazioni durante il transito del pianeta davanti alla stella, fase in cui parte della luce stellare attraversa l’atmosfera, lasciando firme spettrali rivelatrici della sua composizione chimica.
«I materiali gassosi sono più facili da identificare rispetto ai liquidi e ai solidi», dice Cyril Gapp, ricercatore al Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, in Germania, e co-autore dello studio. «Poiché molti composti chimici sono presenti in forma gassosa, gli astronomi usano Wasp-121b come laboratorio naturale per sondare le proprietà delle atmosfere planetarie».
Con circa 40 ore di osservazioni, il team ha generato oltre 300 curve di fase spettroscopiche – grafici che mostrano le variazioni di luminosità della stella durante e dopo il transito, in funzione della posizione del pianeta rispetto alla stella – e altrettanti spettri di emissione degli emisferi diurno e notturno, la cui analisi ha rivelato la presenza di molteplici molecole: acqua, monossido di carbonio e monossido di silicio nell’atmosfera dell’emisfero illuminato del pianeta, metano nell’atmosfera di quello in ombra. Ma cosa ci dice questa scoperta sull’origine di Wasp-121b?
«L’abbondanza relativa di carbonio, ossigeno e silicio offre spunti su come questo pianeta si è formato e ha acquisito la sua materia» spiega il primo autore dello studio, l’astronomo del Max Planck Institute for Astronomy Thomas Evans-Soma.
Secondo i ricercatori, il pianeta avrebbe accumulato la maggior parte di questi gas in una regione del disco sufficientemente fredda da mantenere l’acqua allo stato solido, ma abbastanza calda da permettere al metano di evaporare. In un disco protoplanetario – il disco di gas e polveri da cui originano i pianeti – queste condizioni si verificano a una distanza dalla stella tale per cui la radiazione genera temperature appropriate. Nel Sistema solare, questa regione si trova tra le orbite di Giove e Urano. Il fatto che Wasp-121b orbiti estremamente vicino alla sua stella suggerisce che, dopo la sua formazione, il pianeta si sia spostato dalle regioni esterne ghiacciate verso il centro del sistema planetario.
Illustrazione artistica che mostra l’orbita di Wasp121-b attorno alla sua stella madre. L’immagine evidenzia come il pianeta presenti porzioni variabili del suo lato diurno, illuminato e caldo. Osservando il pianeta per tutta la sua orbita, il team ha ricavato informazioni dalle variazioni nelle emissioni atmosferiche. La fase in cui il pianeta passa davanti alla stella ha inoltre permesso al team di analizzare come il sottile bordo dell’atmosfera planetaria modificasse la luce stellare che lo attraversava. In questo modo, hanno rilevato la presenza di diversi gas, utili per sondare l’origine del pianeta. Crediti: Patricia Klein
Wasp-121-b si potrebbe essere formato in una zona in cui i grani di metano sono evaporati, spiegano i ricercatori, arricchendo il pianeta di carbonio. Al contrario, i ciottoli contenenti acqua sono rimasti congelati, intrappolando l’ossigeno. Con l’evoluzione del sistema, Wasp-121b ha continuato ad accrescere monossido di carbonio anche dopo che il flusso di ciottoli ricchi di ossigeno si è interrotto, definendo così la composizione finale del suo involucro atmosferico. Quanto al monossido di silicio, secondo i ricercatori la molecola è stata incorporata attraverso l’acquisizione di materiale roccioso immagazzinato nei planetesimi, che il pianeta ha inglobato dopo aver formato gran parte del suo involucro gassoso.
Un discorso a parte merita la rilevazione di metano nell’atmosfera del lato notturno del pianeta, segno di dinamiche atmosferiche complesse, non previste dai modelli attuali.
In generale, al variare della temperatura atmosferica, cambia anche la presenza relativa delle molecole. Alle altissime temperature del lato diurno di Wasp-121b il metano è altamente instabile e non è presente in quantità rilevabili. Tuttavia, anche le quantità sul lato diurno dovrebbero essere tali, ciò a causa del mescolamento dei gas tra le due facce del pianeta. Come anticipato, però, gli astronomi hanno trovato abbondanti quantità di metano sulla faccia non illuminata del pianeta. Come spiegare questo risultato?
I ricercatori un’idea se la sono fatta: la sua presenza potrebbe essere dovuta al fatto che la molecola viene rapidamente rimpinguata. Un meccanismo plausibile per questo processo, propongono gli autori dello studio, potrebbe essere la presenza di forti correnti verticali che sollevano il metano dagli strati inferiori dell’atmosfera, dove la molecola si conserva grazie alle temperature relativamente basse.
Lo studio di Wasp-121b fornisce indizi sulla formazione dei pianeti giganti, la dinamica atmosferica e l’evoluzione planetaria. I risultati sembrano sfidare i modelli di dinamica atmosferica attuali, soprattutto per quanto riguarda la circolazione verticale.
«Il nostri risultati mettono in discussione i modelli dinamici degli esopianeti», conclude Evans-Soma. «Tali modelli dovranno probabilmente essere adattati per spiegare il forte mescolamento che abbiamo scoperto sul lato notturno di Wasp-121b»
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “SiO and a super-stellar C/O ratio in the atmosphere of the giant exoplanet WASP-121 b”, di Thomas M. Evans-Soma, David K. Sing, Joanna K. Barstow, Anjali A. A. Piette, Jake Taylor, Joshua D. Lothringer, Henrique Reggiani, Jayesh M. Goyal, Eva-Maria Ahrer, Nathan J. Mayne, Zafar Rustamkulov, Tiffany Kataria, Duncan A. Christie, Cyril Gapp, Jiayin Dong, Daniel Foreman-Mackey, Soichiro Hattori e Mark S. Marley