Uno dei compiti più complessi per gli astronomi è distinguere i pianeti giganti dalle stelle chiamate nane brune: una classe di oggetti più massivi dei pianeti, ma troppo piccoli per innescare la fusione nucleare caratteristica delle vere e proprie stelle. Questi due tipi di corpi celesti possono assomigliarsi molto per caratteristiche come luminosità, temperatura o anche composizione chimica dell’atmosfera. Tutte caratteristiche osservabili con un telescopio. Ciò implica che, ad esempio, le dimensioni e la massa dei pianeti più grandi possono essere le stesse delle nane brune più piccole. Inoltre, poiché le nane brune – spesso chiamate anche “stelle fallite”– non compiono fusione nucleare al proprio interno, emettono solo un debole bagliore, proprio come fanno i pianeti giganti.
Rappresentazione artistica della nana bruna 2MASSJ22282889-431026. Crediti: NASA/JPL/Jonathan Gagné
Ora però un gruppo di ricercatori della Northwestern University ha notato una differenza cruciale che distingue i due: la velocità di rotazione, anche detta spin. Analizzando lo spin di sei esopianeti giganti e venticinque nane brune, hanno notato che i pianeti giganti ruotano a velocità nettamente superiori a quelle delle nane brune. Si tratta del campione di misure di spin più grande mai raccolto finora attraverso la tecnica osservativa dell’imaging diretto. I risultati sono stati pubblicati questo mese su The Astronomical Journal. La scoperta potrebbe costituire un nuovo, potente, metodo per distinguere i due tipi di oggetti, oltre a suggerire che probabilmente si formano ed evolvono seguendo processi diversi.
«Lo spin è una testimonianza primordiale di come un pianeta si è formato», spiega Chih-Chun “Dino” Hsu, ricercatore al Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (Ciera) della Northwestern University, e primo autore dello studio. «Misurando quanto velocemente ruotano i corpi che stiamo osservando, possiamo iniziare a comprendere i processi fisici che hanno dato loro forma decine o centinaia di milioni di anni fa».
Hsu e coautori hanno osservato i 32 oggetti con il W.M. Keck Observatory di Mauna Kea alle Hawaii, fra luglio 2020 e giugno 2025. Nello specifico, grazie allo strumento Keck Planet Imager and Characterizer Instrument (Kpic), specializzato in spettroscopia ad alta risoluzione, hanno potuto isolare la debole luce di esopianeti giganti e nane brune del campione per distinguere meglio i dettagli delle loro atmosfere. A causa della rotazione dei corpi osservati, le righe spettrali si allargano: questo fenomeno è chiamato allargamento Doppler. Dallo studio degli spettri così ottenuti è possibile ricavare la velocità di rotazione del corpo celeste verso cui si è puntato il telescopio. «Con Kpic, possiamo distinguere piccoli segnali che rivelano informazioni sulla rotazione di esopianeti attorno a stelle a noi vicine» spiega Hsu.
Non solo: il gruppo di ricercatori ha poi confrontato le proprie misure di spin con un campione di 221 oggetti stellari e substellari (nane brune ed esopianeti) di massa inferiore al 10 per cento della massa del Sole. Ne è emerso un pattern molto evidente: tenendo conto di massa, dimensione ed età, i pianeti giganti ruotano a velocità superiori rispetto alle nane brune. In altre parole, gli esopianeti giganti gassosi tendono a ruotare a frazioni maggiori della propria breakup velocity, rispetto alle nane brune, che ruotano a frazioni minori. Questa velocità è quella massima teoricamente raggiungibile da un oggetto prima che venga fatto a pezzi dalla forza centrifuga.
Secondo i ricercatori, la differenza probabilmente dipende dalla massa degli oggetti e dal rapporto fra questa e quella della stella attorno a cui orbitano. Infatti, gli astronomi pensano che i pianeti giganti si formino all’interno di dischi di gas e polvere che circondano le stelle giovani. Durante il processo di formazione, le interazioni col disco possono influenzare quanto momento angolare, o quantità di spin, il pianeta conserverà. Le nane brune, invece, possono formarsi sia come vere e proprie stelle, attraverso il collasso di una nube di gas, sia come pianeti. In entrambi questi casi, però, l’interazione tra il loro intenso campo magnetico e il gas circostante funge da “freno cosmico” e fa perdere momento angolare all’oggetto.
A marcare la differenza fra queste due classi di oggetti, nel campione di Hsu ci sono due casi particolari: il pianeta gigante del sistema HR 8799, che ha circa sette volte la massa di Giove e ruota in modo insolitamente veloce, e una nana bruna vicina che è circa tre volte più massiccia del pianeta, ma ruota sei volte più lentamente. E mentre entrambi hanno perso momento angolare durante la loro formazione, lo spin della stella ne ha perso molto di più, probabilmente a causa del suo campo magnetico più intenso rispetto a quello del pianeta.
Lo studio ha evidenziato anche che le nane brune in orbita attorno ad altre stelle ruotano ancora più lentamente rispetto a quelle isolate. Ciò potrebbe essere dovuto a diversi ambienti di formazione dei corpi celesti. «I nostri risultati suggeriscono che sia la massa del pianeta, sia il suo rapporto con la massa della stella, influenzano quanto velocemente questo ruota», dice Hsu. «Questo ci aiuta a capire i processi fisici che formano questi sistemi».
Ora, il team pianifica di esaminare gli spin di oggetti erranti – mondi isolati che vanno alla deriva nello spazio e non orbitano attorno ad alcuna stella – di massa planetaria e di analizzare la composizione chimica della loro atmosfera, così da ampliare ulteriormente il campione di dati a disposizione. «Stiamo solo iniziando a esplorare ciò che lo spin dei pianeti può dirci», conclude Hsu. «Con strumenti futuri e telescopi più grandi, saremo in grado di misurare gli spin di moltissimi mondi e di comprendere la connessione tra rotazione, chimica e storia della formazione di interi sistemi planetari».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astronomical Journal l’articolo “Distinct Rotational Evolution of Giant Planets and Brown Dwarf Companions“, di Chih-Chun Hsu, Jason J. Wang, Jerry W. Xuan, Yapeng Zhang, Jean-Baptiste Ruffio, Dimitri Mawet, Luke Finnerty, Katelyn Horstman, Julianne Cronin, Yinzi Xin
Nel video del W. M. Keck Observatory, la rotazione di un esopianeta gigante e quella di una nana bruna a confronto: