Quando il telescopio spaziale James Webb della NASA verrà lanciato nel 2021, uno dei suoi contributi più attesi all'astronomia sarà lo studio degli esopianeti, pianeti in orbita attorno a stelle lontane. Tra le domande più urgenti nella scienza degli esopianeti c'è:Può un piccolo, esopianeta roccioso in orbita vicino a una stella nana rossa trattenere un'atmosfera?

In una serie di quattro articoli nel Giornale Astrofisico , un team di astronomi propone un nuovo metodo di utilizzo di Webb per determinare se un esopianeta roccioso ha un'atmosfera. La tecnica, che comporta la misurazione della temperatura del pianeta mentre passa dietro la sua stella e poi torna alla vista, è significativamente più veloce dei metodi più tradizionali di rilevazione atmosferica come la spettroscopia di trasmissione.

"Troviamo che Webb potrebbe facilmente dedurre la presenza o l'assenza di un'atmosfera intorno a una dozzina di esopianeti rocciosi noti con meno di 10 ore di osservazione per pianeta, " ha detto Jacob Bean dell'Università di Chicago, un coautore su tre dei documenti.

Gli astronomi sono particolarmente interessati agli esopianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse per una serie di motivi. queste stelle, che sono più piccole e più fresche del sole, sono il tipo di stella più comune nella nostra galassia. Anche, perché una nana rossa è piccola, un pianeta che gli passa davanti sembrerà bloccare una frazione maggiore della luce della stella che se la stella fosse più grande, come il nostro sole. Ciò rende il pianeta in orbita attorno a una nana rossa più facile da rilevare attraverso questa tecnica di "transito".

Le nane rosse producono anche molto meno calore del nostro sole, così per godere di temperature abitabili, un pianeta dovrebbe orbitare abbastanza vicino a una stella nana rossa. Infatti, per trovarsi nella zona abitabile, l'area intorno alla stella dove potrebbe esistere acqua liquida sulla superficie di un pianeta, il pianeta deve orbitare molto più vicino alla stella di quanto Mercurio non sia al sole. Di conseguenza, passerà la stella più frequentemente, facilitando le osservazioni ripetute.

Ma un pianeta in orbita così vicino a una nana rossa è soggetto a condizioni difficili. Le giovani nane rosse sono molto attive, facendo esplodere enormi razzi ed eruzioni di plasma. La stella emette anche un forte vento di particelle cariche. Tutti questi effetti potrebbero potenzialmente spazzare via l'atmosfera di un pianeta, lasciando dietro di sé una nuda roccia.

"La perdita atmosferica è la minaccia esistenziale numero uno all'abitabilità dei pianeti, " disse Fagiolo.

Un'altra caratteristica chiave degli esopianeti che orbitano vicino alle nane rosse è fondamentale per la nuova tecnica:si prevede che siano bloccati in base alle maree, il che significa che hanno un lato giorno e un lato notte permanenti. Di conseguenza, vediamo diverse fasi del pianeta in diversi punti della sua orbita. Quando attraversa il volto della stella, vediamo solo il lato notturno del pianeta. Ma quando sta per attraversare dietro la stella (un evento noto come eclissi secondaria), o sta appena emergendo da dietro la stella, possiamo osservare il giorno.

Se un esopianeta roccioso è privo di atmosfera, il suo giorno sarebbe molto caldo, proprio come vediamo con la Luna o Mercurio. Tuttavia, se un esopianeta roccioso ha un'atmosfera, la presenza di quell'atmosfera dovrebbe abbassare la temperatura diurna che Webb misurerebbe. Potrebbe farlo in due modi. Un'atmosfera densa potrebbe trasportare il calore dal lato diurno a quello notturno attraverso i venti. Un'atmosfera più sottile potrebbe ancora ospitare nuvole, che riflettono una parte della luce stellare in arrivo abbassando così la temperatura del lato diurno del pianeta.

"Ogni volta che aggiungi un'atmosfera, abbasserai la temperatura della giornata. Quindi se vediamo qualcosa di più bello della nuda roccia, potremmo dedurre che è probabilmente un segno di un'atmosfera, " ha spiegato Daniel Koll del Massachusetts Institute of Technology (MIT), l'autore principale su due dei documenti.

Webb è ideale per effettuare queste misurazioni perché ha uno specchio molto più grande di altri telescopi come i telescopi spaziali Hubble o Spitzer della NASA, che gli permette di raccogliere più luce, e può indirizzare le lunghezze d'onda infrarosse appropriate.

I calcoli del team mostrano che Webb dovrebbe essere in grado di rilevare la firma termica dell'atmosfera di un pianeta in una o due eclissi secondarie, solo poche ore di osservazione. In contrasto, rilevare un'atmosfera attraverso osservazioni spettroscopiche richiederebbe in genere otto o più transiti per questi stessi pianeti.

spettroscopia di trasmissione, che studia la luce delle stelle filtrata attraverso l'atmosfera del pianeta, soffre anche di interferenze dovute a nuvole o foschie, che possono mascherare le firme molecolari dell'atmosfera. In tal caso il grafico spettrale, piuttosto che mostrare linee di assorbimento pronunciate dovute alle molecole, sarebbe sostanzialmente piatto.

"Nella spettroscopia di trasmissione, se ottieni una linea piatta, non ti dice niente. La linea piatta potrebbe significare che l'universo è pieno di pianeti morti che non hanno un'atmosfera, o che l'universo è pieno di pianeti che hanno un'intera gamma di diversi, atmosfere interessanti, ma a noi sembrano tutti uguali perché sono nuvolosi, " ha detto Eliza Kempton dell'Università del Maryland, un coautore su tre dei documenti.

"Le atmosfere degli esopianeti senza nuvole e foschie sono come gli unicorni:non li abbiamo ancora visti, e potrebbero non esistere affatto, " lei ha aggiunto.

Il team ha sottolineato che una temperatura diurna più fresca del previsto sarebbe un indizio importante, ma non confermerebbe assolutamente l'esistenza di un'atmosfera. Eventuali dubbi residui sulla presenza di un'atmosfera possono essere esclusi con studi di follow-up utilizzando altri metodi come la spettroscopia di trasmissione.

La vera forza della nuova tecnica sarà nel determinare quale frazione di esopianeti rocciosi probabilmente ha un'atmosfera. Nell'ultimo anno sono stati rilevati circa una dozzina di pianeti extrasolari che sono buoni candidati per questo metodo. È probabile che se ne troveranno altri quando Webb sarà operativo.

"The Transiting Exoplanet Survey Satellite, o TESS, sta trovando pile di questi pianeti, "dichiarò Kempton.

Il metodo dell'eclissi secondaria ha una limitazione fondamentale:funziona meglio su pianeti troppo caldi per essere situati nella zona abitabile. Però, determinare se questi pianeti caldi ospitano o meno atmosfere ha importanti implicazioni per i pianeti della zona abitabile.

"Se i pianeti caldi possono trattenere un'atmosfera, anche quelli più freddi dovrebbero essere in grado di farlo almeno, " disse Koll.

Il James Webb Space Telescope sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri nel nostro sistema solare, guarda oltre a mondi lontani intorno ad altre stelle, e sondare le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un progetto internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (Agenzia Spaziale Europea) e Agenzia Spaziale Canadese.