Questo mese segna il terzo anniversario della scoperta di un notevole sistema di sette pianeti noto come TRAPPIST-1. Questi sette rocciosi, Mondi delle dimensioni della Terra orbitano attorno a una stella ultra-fredda a 39 anni luce dalla Terra. Tre di quei pianeti sono nella zona abitabile, il che significa che sono alla giusta distanza orbitale per essere abbastanza caldi da consentire l'esistenza di acqua liquida sulle loro superfici. Dopo il lancio nel 2021, Il James Webb Space Telescope della NASA osserverà quei mondi con l'obiettivo di effettuare il primo studio dettagliato nel vicino infrarosso dell'atmosfera di un pianeta abitabile.

Per trovare i segni di un'atmosfera, gli astronomi useranno una tecnica chiamata spettroscopia di trasmissione. Osservano la stella ospite mentre il pianeta sta attraversando la faccia della stella, noto come transito. La luce della stella filtra attraverso l'atmosfera del pianeta, che assorbe parte della luce stellare e lascia impronte rivelatrici nello spettro della stella.

Trovare un'atmosfera attorno a un esopianeta roccioso, la parola che gli scienziati usano per i pianeti oltre il nostro sistema solare, non sarà facile. Le loro atmosfere sono più compatte di quelle dei giganti gassosi, mentre le loro dimensioni più piccole significano che intercettano meno luce della stella. TRAPPIST-1 è uno dei migliori obiettivi disponibili per Webb poiché anche la stella stessa è piuttosto piccola, il che significa che la dimensione dei pianeti rispetto alla stella è maggiore.

"Le atmosfere sono più difficili da rilevare, ma la ricompensa è più alta. Sarebbe molto eccitante effettuare la prima rilevazione di un'atmosfera su un pianeta delle dimensioni della Terra, " ha detto David Lafrenière dell'Università di Montreal, ricercatore principale su una delle squadre che esaminano TRAPPIST-1.

Le nane rosse come TRAPPIST-1 tendono ad avere esplosioni violente che potrebbero rendere inospitali i pianeti TRAPPIST-1. Ma determinare se hanno atmosfere, e se così fosse, di cosa sono fatti, è il prossimo passo per scoprire se la vita come la conosciamo potrebbe sopravvivere su questi mondi lontani.

Uno sforzo coordinato

Più di un team di astronomi studierà il sistema TRAPPIST-1 con Webb. Hanno in programma di utilizzare una varietà di strumenti e modalità di osservazione per scoprire quanti più dettagli possibile per ogni pianeta del sistema.

"È uno sforzo coordinato perché nessuna squadra potrebbe fare tutto ciò che volevamo fare con il sistema TRAPPIST-1. Il livello di cooperazione è stato davvero spettacolare, " ha spiegato Nikole Lewis della Cornell University, l'investigatore principale su una delle squadre.

"Con sette pianeti tra cui scegliere, ognuno di noi può avere un pezzo di torta, "aggiunse Lafrenière.

Il programma di Lafrenière prenderà di mira TRAPPIST-1d e -1f nel tentativo non solo di rilevare un'atmosfera, ma determina la sua composizione di base. Si aspettano di essere in grado di distinguere tra un'atmosfera dominata dal vapore acqueo, o uno composto principalmente da azoto (come la Terra) o anidride carbonica (come Marte e Venere).

Il programma di Lewis osserverà TRAPPIST-1e con obiettivi simili. TRAPPIST-1e è uno dei pianeti oltre il nostro sistema solare che ha più in comune con la Terra in termini di densità e quantità di radiazioni che riceve dalla sua stella. Ciò lo rende un ottimo candidato per l'abitabilità, ma gli scienziati hanno bisogno di saperne di più per scoprirlo.

Un'ampia varietà di pianeti

Mentre i pianeti TRAPPIST-1 esercitano un fascino particolare dal punto di vista della potenziale abitabilità, Il programma di Lafrenière mirerà a una varietà di pianeti, dai rocciosi ai mini-Nettuno ai giganti gassosi delle dimensioni di Giove, a una varietà di distanze dalle loro stelle. L'obiettivo è quello di saperne di più su come, e dove, questi pianeti si formano.

In particolare, gli astronomi continuano a discutere su come i pianeti gassosi possano essere trovati molto vicini alle loro stelle. La maggior parte crede che un tale pianeta debba essersi formato più lontano nel disco protoplanetario, il disco attorno a una stella dove nascono i pianeti, poiché è disponibile più materiale lontano dalla stella, e poi migrato verso l'interno. Però, altri scienziati teorizzano che anche grandi giganti gassosi possano formarsi relativamente vicino alla loro stella.

"Anche, forse si sono formati più lontano, ma quanto più lontano?" chiese Lewis.

Per contribuire a informare il dibattito, gli astronomi esamineranno il rapporto tra carbonio e ossigeno in un assortimento di esopianeti. Questo rapporto può servire come traccia di dove si è formato un pianeta, perché varia con la distanza dalla stella.

Mappe meteorologiche

Oltre a esaminare i pianeti utilizzando la spettroscopia di trasmissione, le squadre utilizzeranno anche una tecnica nota come curva di fase. Si tratta di osservare un pianeta nel corso di un'intera orbita, che è pratico solo per i mondi più caldi con i periodi orbitali più brevi.

Un pianeta che gira intorno alla sua stella molto vicino diventa bloccato dalle maree, nel senso che mostra sempre la stessa faccia alla stella, come la Luna fa con la Terra. Di conseguenza, osservatori lontani che osservano il pianeta lo vedranno attraversare varie fasi, poiché diversi lati del pianeta sono visibili in diversi punti della sua orbita.

Misurando il pianeta in diversi momenti, gli astronomi possono costruire una mappa della temperatura atmosferica in funzione della longitudine. Questa tecnica è stata sperimentata dallo Spitzer Space Telescope della NASA, che ha realizzato la prima "mappa meteorologica" di un esopianeta nel 2007.

Inoltre, osservando l'emissione di calore del pianeta, gli astronomi possono modellare la struttura verticale dell'atmosfera.

"Con una curva di fase, possiamo costruire un modello 3D completo dell'atmosfera di un pianeta, " ha spiegato Lafrenière.

Questo lavoro viene condotto come parte di un programma Webb Guaranteed Time Observations (GTO). Questo programma è progettato per premiare gli scienziati che hanno contribuito a sviluppare i componenti hardware e software chiave o le conoscenze tecniche e interdisciplinari per l'osservatorio.