A oltre 2500 anni luce da noi, nella costellazione del Cigno, si trova la stella Kepler-51. Questa stella è simile al Sole, ma è molto più giovane, e sono già stati trovati quattro pianeti che le orbitano attorno. Almeno tre di questi esopianeti hanno una caratteristica molto particolare: la loro densità è insolitamente bassa. Questo è dato dal fatto che la loro dimensione è simile a quella di Saturno, ma la loro massa è pari a soltanto qualche massa terrestre: per questo motivo vengono classificati come pianeti super-puff. Uno di questi tre pianeti “ultra-soffici”, Kepler-51d, è l’oggetto di un articolo pubblicato questa settimana da un team di ricercatori della Penn State su The Astronomical Journal. Ed è il più freddo e il meno denso di questo sistema stellare.
«Pensiamo che i tre pianeti più interni in orbita attorno a Kepler-51 abbiano nuclei piccoli e atmosfere molto spesse, e dunque una densità assai ridotta, simile a quella dello zucchero filato», spiega Jessica Libby-Roberts, prima autrice dell’articolo. «Questi pianeti super-puff dalla densità estremamente bassa sono rari e mettono alla prova le teorie convenzionali sulla formazione dei giganti gassosi. E come se non fosse già abbastanza difficile spiegare la formazione di uno di questi pianeti, qui ce ne sono addirittura tre».
Rappresentazione artistica del sistema Kepler-51 con il pianeta Kepler-51d in primo piano. Crediti: Nasa, Esa, and L. Hustak, J. Olmsted, D. Player e F. Summers (Stsci)
Tipicamente i pianeti giganti hanno un nucleo denso e di conseguenza riescono a catturare gravitazionalmente i gas. Di solito, inoltre, proprio come avviene anche nel Sistema solare, dove pianeti come Giove e Saturno sono lontani, posizionati al di fuori della fascia principale degli asteroidi, questi pianeti si formano in zone distanti dalla stella attorno alla quale orbitano – stella che farebbe loro “concorrenza”, avendo a sua volta una grande capacità di attrarre a sé i gas.
Del tutto differente è il caso di Kepler-51d: non presenta un nucleo denso ed è distante dalla sua stella circa quanto Venere lo è dal Sole. Dunque molto vicino, e questo non rende immediato trattenere un’atmosfera gassosa. «Kepler-51 è una stella relativamente attiva e il suo vento stellare dovrebbe riuscire facilmente ad allontanare i gas da questo pianeta, anche se l’entità della perdita di massa avvenuta nel corso della vita di Kepler-51d resta ignota», dice a questo proposito Libby-Roberts. «È possibile che il pianeta si sia formato più lontano dalla stella e si sia successivamente spostato su un’orbita più interna, ma ci sono ancora tantissime domande senza risposta riguardo alla formazione di questo e degli altri pianeti del sistema. Che cosa ha potuto far sì che, attorno a Kepler-51, ci siano tre pianeti così originali, con una combinazione di caratteristiche estreme che non abbiamo visto da nessun’altra parte?».
A causa delle densità così basse, i ricercatori hanno iniziato a pensare che i pianeti super-puff siano in gran parte composti dagli elementi più leggeri, idrogeno ed elio, ma si aspettano anche la presenza di altri elementi. Conoscere la composizione chimica dell’atmosfera di Kepler-51d permetterebbe inoltre di dedurre informazioni sull’ambiente originale di formazione del pianeta.
Anche se gli esopianeti così lontani da noi non possono essere osservati direttamente, è possibile dedurne l’esistenza analizzando la curva di luce della stella: quando il pianeta le passa davanti – ovvero quando compie un transito – presenta un abbassamento. Non solo: un’analisi spettrale della luce durante il transito può dare informazioni sulla composizione di un’eventuale atmosfera. Ed è questo il caso anche per Kepler-51d.
«La luce della stella è filtrata dall’atmosfera del pianeta prima di raggiungere i nostri telescopi», spiega Libby-Roberts. «Se una certa molecola presente nell’atmosfera assorbe una specifica lunghezza d’onda – allo stesso modo in cui sulla Terra oggetti di colori diversi assorbono diverse lunghezze d’onda – può bloccare il passaggio della luce a quella frequenza. Se osserviamo un range di diverse lunghezze d’onda, ovvero uno spettro, otteniamo una sorta di impronta digitale dell’atmosfera del pianeta, che ne rivela la composizione chimica».
Gli autori dell’articolo avevano già in precedenza osservato Kepler-51d nel vicino infrarosso utilizzando lo Hubble Space Telescope. Sperando di ottenere una “impronta digitale” dell’atmosfera più dettagliata, hanno successivamente esteso le osservazioni a lunghezze maggiori con lo strumento NirSpec – il Near-Infrared Spectrograph – del James Webb Space Telescope (Jwst). Tuttavia, non hanno notato diminuzioni evidenti nell’intensità della stella a nessuna lunghezza d’onda specifica.
«Pensiamo che il pianeta abbia uno strato di foschia talmente spesso da assorbire la luce alle lunghezze d’onda che abbiamo osservato e per questo non possiamo distinguere le caratteristiche presenti al di sotto», dice Suvrath Mahadevan, uno dei coautori dell’articolo. «Sembra molto simile alla foschia presente su Titano, il satellite più grande di Saturno, che contiene idrocarburi come il metano, ma di dimensioni molto più estese. Kepler-51d sembra essere circondato da un’enorme quantità di foschia, spessa quasi quanto un raggio terrestre, il che la renderebbe una delle più vaste mai osservate su un pianeta fino ad ora».
Altra rappresentazione artistica di Kepler-51d
I ricercatori hanno anche considerato delle spiegazioni alternative allo spesso strato di foschia (o più propriamente caligine, in inglese haze), ma le hanno poi in buona parte escluse. Per esempio, se il pianeta avesse degli anelli e fosse inclinato, gli anelli potrebbero bloccare la luce della stella e far sembrare il pianeta più grande di quello che è. Di conseguenza, la densità calcolata risulterebbe sottostimata. Tuttavia, gli anelli dovrebbero bloccare la luce a lunghezze d’onda specifiche, e il loro angolo di inclinazione dovrebbe avere un valore ben preciso, per dare questi risultati.
«Invece, vediamo un andamento lineare, con più luce bloccata a lunghezze d’onda maggiori», spiega Libby-Roberts. «Questo non è comune e la spiegazione più semplice è lo spesso strato di foschia. Gli anelli dovrebbero avere vita breve, essere composti da materiali molto particolari ed essere proprio all’angolo giusto, il che sembra poco probabile, ma non lo possiamo escludere completamente. Se potessimo osservare il pianeta a lunghezze d’onda ancora più grandi, per esempio con il Mid Infrared Instrument del Jwst, potremmo essere in grado di trovare i materiali che dovrebbero comporre gli anelli, oppure vedere lo strato di foschia per intero».
Inoltre, anche lo studio di altri pianeti super-puff può contribuire a comprendere la natura misteriosa di Kepler-51d. È per esempio il caso di Kepler-51b, altro pianeta dello stesso sistema stellare che un diverso team di ricercatori sta analizzando, sempre con osservazioni effettuate con Jwst. Osservazioni che potrebbero aiutare a capire se tutti i pianeti super-puff presentano la stessa foschia, la stessa struttura, le stesse origini o se Kepler-51d sia unico nel suo genere.
«Prima che gli astronomi ne trovassero anche al di fuori del Sistema solare, pensavamo di avere capito abbastanza bene il modo in cui i pianeti si formano», dice Libby-Roberts. «Ma poi abbiamo iniziato a trovare esopianeti che non avevano niente in comune con quelli attorno al Sole. Ci sono mondi alieni che sfidano la nostra comprensione della formazione planetaria. Non ci siamo ancora imbattuti in un sistema come quello in cui ci troviamo, e riuscire a spiegare come tutti questi pianeti si sono formati ci aiuta a capire qual è il nostro posto nel quadro generale dell’universo».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astronomical Journal l’articolo “The James Webb Space Telescope NIRSpec-PRISM Transmission Spectrum of the Super-puff, Kepler-51d”, di Jessica E. Libby-Roberts, Aaron Bello-Arufe, Zachory K. Berta-Thompson, Caleb I. Cañas, Yayaati Chachan, Renyu Hu, Yui Kawashima, Catriona Murray, Kazumasa Ohno, Armen Tokadjian, Suvrath Mahadevan, Kento Masuda, Leslie Hebb, Caroline Morley, Guangwei Fu, Peter Gao e Kevin B. Stevenson