I pianeti giganti del nostro sistema solare e che circondano altre stelle hanno nuvole esotiche diverse da qualsiasi altra cosa sulla Terra, e i giganti gassosi che orbitano vicino alle loro stelle, i cosiddetti Giove caldi, vantano i più estremi.

Un team di astronomi degli Stati Uniti, Canada e Regno Unito hanno ora messo a punto un modello che prevede quale dei tanti tipi di nuvole proposte, dallo zaffiro allo smog di metano, aspettarsi su Giove caldi di diverse temperature, fino a migliaia di gradi Kelvin.

Sorprendentemente, il tipo più comune di cloud, previsto in un ampio intervallo di temperature, dovrebbe consistere di goccioline liquide o solide di silicio e ossigeno, come quarzo fuso o sabbia fusa. Su Giove più freddi e caldi, al di sotto di circa 950 Kelvin (1, 250 gradi Fahrenheit), i cieli sono dominati da una foschia di idrocarburi, essenzialmente smog.

Il modello aiuterà gli astronomi a studiare i gas nelle atmosfere di questi mondi strani e lontani, poiché le nuvole interferiscono con le misurazioni della composizione atmosferica. Potrebbe anche aiutare gli scienziati planetari a capire le atmosfere dei pianeti giganti più freddi e delle loro lune, come Giove e la luna di Saturno Titano nel nostro sistema solare.

"I tipi di nuvole che possono esistere in queste atmosfere calde sono cose che non pensiamo davvero come nuvole nel sistema solare, " ha detto Peter Gao, un borsista post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley, chi è il primo autore di un articolo che descrive il modello apparso il 25 maggio sulla rivista Astronomia della natura . "Ci sono stati modelli che prevedono varie composizioni, ma il punto di questo studio era valutare quale di queste composizioni è effettivamente importante e confrontare il modello con i dati disponibili che abbiamo".

Lo studio sfrutta un boom nell'ultimo decennio nello studio delle atmosfere degli esopianeti. Sebbene gli esopianeti siano troppo distanti e deboli per essere visibili, molti telescopi, in particolare, il telescopio spaziale Hubble, sono in grado di mettere a fuoco le stelle e catturare la luce stellare che passa attraverso le atmosfere dei pianeti mentre passano davanti alle loro stelle. Le lunghezze d'onda della luce che vengono assorbite, rivelato da misurazioni spettroscopiche, dire agli astronomi quali elementi compongono l'atmosfera. Ad oggi, questa tecnica ed altre hanno riscontrato o dedotto la presenza di acqua, metano, monossido di carbonio e anidride carbonica, gas di potassio e sodio e, nel più caldo dei pianeti, ossido di alluminio vaporizzato, ferro e titanio.

Ma mentre alcuni pianeti sembrano avere atmosfere chiare e caratteristiche spettroscopiche chiare, molti hanno nuvole che bloccano completamente il filtraggio della luce delle stelle, impedendo lo studio dei gas al di sotto degli strati di nubi superiori. Le composizioni dei gas possono dire agli astronomi come si formano gli esopianeti e se gli elementi costitutivi della vita sono presenti attorno ad altre stelle.

"Abbiamo trovato molte nuvole:alcuni tipi di particelle, non molecole, ma piccole goccioline, che pendono in queste atmosfere, " Gao ha detto. "Non sappiamo davvero di cosa sono fatti, ma stanno contaminando le nostre osservazioni, essenzialmente rendendo più difficile per noi valutare la composizione e l'abbondanza di molecole importanti, come l'acqua e il metano."

Nuvole rubino

Per spiegare queste osservazioni, gli astronomi hanno proposto molti strani tipi di nuvole, composto da ossidi di alluminio, come il corindone, la stoffa dei rubini e degli zaffiri; sale sciolto, come cloruro di potassio; ossidi di silicio, o silicati, come quarzo, il componente principale della sabbia; solfuri di manganese o zinco che esistono come rocce sulla Terra; e composti di idrocarburi organici. Le nuvole potrebbero essere aerosol liquidi o solidi, ha detto Gao.

Gao adattò modelli informatici inizialmente creati per le nuvole d'acqua della Terra e successivamente estesi alle atmosfere nuvolose di pianeti come Giove, che ha ammoniaca e nubi di metano. Ha ampliato il modello ulteriormente alle temperature molto più elevate osservate sui pianeti giganti gassosi caldi, fino a 2, 800 Kelvin, o 4, 600 gradi Fahrenheit (2, 500 gradi Celsius) e gli elementi che potrebbero condensarsi in nuvole a queste temperature.

Il modello tiene conto di come i gas di vari atomi o molecole si condensano in goccioline, come queste goccioline crescono o evaporano e se possono essere trasportate nell'atmosfera dai venti o dalle correnti ascensionali, o affondare a causa della gravità.

"L'idea è che gli stessi principi fisici guidino la formazione di tutti i tipi di nuvole, " disse Gao, che ha anche modellato nuvole di acido solforico su Venere. "Quello che ho fatto è prendere questo modello e portarlo nel resto della galassia, rendendolo in grado di simulare nuvole di silicato, nuvole di ferro e nuvole di sale".

Ha quindi confrontato le sue previsioni con i dati disponibili su 30 esopianeti su un totale di circa 70 esopianeti in transito con spettri di trasmissione registrati fino ad oggi.

Il modello ha rivelato che molte delle nubi esotiche proposte nel corso degli anni sono difficili da formare perché l'energia necessaria per condensare i gas è troppo alta. Le nuvole di silicato si condensano facilmente, però, e dominare su 1, Gamma di temperature di 200 gradi Kelvin:da circa 900 a 2, 000 Kelvin. Questa è una gamma di circa 2, 000 gradi Fahrenheit.

Secondo il modello, nelle atmosfere più calde, gli ossidi di alluminio e gli ossidi di titanio si condensano in nubi di alto livello. Negli esopianeti con atmosfere più fredde, quelle nuvole si formano più in profondità nel pianeta e sono oscurate da nuvole di silicato più alte. Su esopianeti ancora più freddi, queste nuvole di silicato si formano anche più in profondità nell'atmosfera, lasciando chiare atmosfere superiori. A temperature ancora più fresche, la luce ultravioletta della stella dell'esopianeta converte molecole organiche come il metano in catene di idrocarburi estremamente lunghe che formano una foschia di alto livello simile allo smog. Questo smog può oscurare le nuvole di sale più basse di potassio o cloruro di sodio.

Per quegli astronomi che cercano un pianeta senza nuvole per studiare più facilmente i gas nell'atmosfera, Gao ha suggerito di concentrarsi sui pianeti tra circa 900 e 1, 400 Kelvin, o quelli più caldi di circa 2, 200 Kelvin.

"La presenza di nuvole è stata misurata in un certo numero di atmosfere di esopianeti prima, ma è quando osserviamo collettivamente un ampio campione che possiamo distinguere la fisica e la chimica nelle atmosfere di questi mondi, ", ha affermato la coautrice Hannah Wakeford, un astrofisico dell'Università di Bristol nel Regno Unito "La specie di nubi dominante è comune quanto la sabbia - è essenzialmente sabbia - e sarà davvero emozionante poter misurare per la prima volta le firme spettrali delle nubi stesse con il prossimo telescopio spaziale James Webb (JWST)."

Osservazioni future, come quelli del JWST della NASA, previsto per il lancio entro pochi anni, dovrebbe essere in grado di confermare queste previsioni e forse far luce sugli strati di nubi nascosti dei pianeti più vicini a casa. Gao ha detto che nuvole esotiche simili possono esistere a profondità all'interno di Giove o Saturno, dove le temperature sono vicine a quelle che si trovano su Giove caldi.

"Poiché ci sono migliaia di esopianeti contro un solo Giove, possiamo studiarne un po' e vedere qual è la media e come si confronta con Giove, " disse Gao.

Lui e i suoi colleghi hanno in programma di testare il modello rispetto ai dati osservativi di altri esopianeti e anche di nane brune, che sono fondamentalmente pianeti giganti gassosi così massicci da essere quasi delle stelle. Essi, pure, avere nuvole.

"Nello studio delle atmosfere planetarie nel sistema solare, di solito abbiamo il contesto delle immagini. Non abbiamo questa fortuna con gli esopianeti. Sono solo punti o ombre, " ha detto Jonathan Fortney di UC Santa Cruz. "Questa è un'enorme perdita di informazioni. Ma quello che dobbiamo compensare è una dimensione del campione molto più grande. E questo ci permette di cercare le tendenze:qui, una tendenza alla nuvolosità, con la temperatura planetaria, qualcosa di cui non possiamo permetterci il lusso nel nostro sistema solare".