La più ampia indagine sulle composizioni chimiche atmosferiche degli esopianeti fino ad oggi ha rivelato tendenze che sfidano le attuali teorie sulla formazione dei pianeti e ha implicazioni per la ricerca di acqua nel sistema solare e oltre.

Un team di ricercatori, guidato dall'Università di Cambridge, ha utilizzato i dati atmosferici di 19 esopianeti per ottenere misurazioni dettagliate delle loro proprietà chimiche e termiche. Gli esopianeti nello studio coprono una vasta gamma di dimensioni, da "mini-Nettuno" di quasi 10 masse terrestri a "super-Giove" di oltre 600 masse terrestri, e temperatura, da quasi 20C a oltre 2000C. Come i pianeti giganti del nostro sistema solare, le loro atmosfere sono ricche di idrogeno, ma orbitano attorno a diversi tipi di stelle.

I ricercatori hanno scoperto che mentre il vapore acqueo è comune nelle atmosfere di molti esopianeti, gli importi erano sorprendentemente inferiori al previsto, mentre le quantità di altri elementi trovati in alcuni pianeti erano coerenti con le aspettative. I risultati, che fanno parte di un programma di ricerca quinquennale sulle composizioni chimiche delle atmosfere planetarie al di fuori del nostro sistema solare, sono riportati in Lettere per riviste astrofisiche .

"Stiamo vedendo i primi segni di schemi chimici nei mondi extraterrestri, e stiamo vedendo quanto possano essere diversi in termini di composizione chimica, " ha affermato il capo del progetto, il dott. Nikku Madhusudhan dell'Institute of Astronomy di Cambridge, che per primo ha misurato la bassa abbondanza di vapore acqueo negli esopianeti giganti cinque anni fa.

Nel nostro sistema solare, la quantità di carbonio rispetto all'idrogeno nelle atmosfere dei pianeti giganti è significativamente superiore a quella del sole. Si pensa che questa abbondanza "super-solare" abbia avuto origine quando i pianeti si stavano formando, e grandi quantità di ghiaccio, rocce e altre particelle sono state portate nel pianeta in un processo chiamato accrescimento.

Si prevede che le abbondanze di altri elementi siano altrettanto elevate nelle atmosfere di esopianeti giganti, in particolare ossigeno, che è l'elemento più abbondante nell'universo dopo l'idrogeno e l'elio. Ciò significa che l'acqua, un vettore dominante di ossigeno, dovrebbe anche essere sovrabbondante in tali atmosfere.

I ricercatori hanno utilizzato ampi dati spettroscopici da telescopi spaziali e terrestri, compreso il telescopio spaziale Hubble, il telescopio spaziale Spitzer, il Very Large Telescope in Cile e il Gran Telescopio Canarias in Spagna. La gamma di osservazioni disponibili, insieme a modelli computazionali dettagliati, metodi statistici, e proprietà atomiche di sodio e potassio, ha permesso ai ricercatori di ottenere stime delle abbondanze chimiche nelle atmosfere degli esopianeti attraverso il campione.

Il team ha riportato l'abbondanza di vapore acqueo in 14 dei 19 pianeti, e l'abbondanza di sodio e potassio in sei pianeti ciascuno. I loro risultati suggeriscono un esaurimento dell'ossigeno rispetto ad altri elementi e forniscono indizi chimici su come questi esopianeti potrebbero essersi formati senza un sostanziale accumulo di ghiaccio.

"È incredibile vedere abbondanze d'acqua così basse nelle atmosfere di un'ampia gamma di pianeti in orbita attorno a una varietà di stelle, " disse Madhusudhan.

"Misurare l'abbondanza di queste sostanze chimiche nelle atmosfere esoplanetarie è qualcosa di straordinario, considering that we have not been able to do the same for giant planets in our solar system yet, including Jupiter, our nearest gas giant neighbour, " said Luis Welbanks, lead author of the study and Ph.D. student at the Institute of Astronomy.

Various efforts to measure water in Jupiter's atmosphere, including NASA's current Juno mission, have proved challenging. "Since Jupiter is so cold, any water vapour in its atmosphere would be condensed, making it difficult to measure, " said Welbanks. "If the water abundance in Jupiter were found to be plentiful as predicted, it would imply that it formed in a different way to the exoplanets we looked at in the current study."

"We look forward to increasing the size of our planet sample in future studies, " said Madhusudhan. "Inevitably, we expect to find outliers to the current trends as well as measurements of other chemicals."

These results show that different chemical elements can no longer be assumed to be equally abundant in planetary atmospheres, challenging assumptions in several theoretical models.

"Given that water is a key ingredient to our notion of habitability on Earth, it is important to know how much water can be found in planetary systems beyond our own, " said Madhusudhan.