Questa illustrazione mostra tre possibili interni dei sette esopianeti rocciosi nel sistema TRAPPIST-1, sulla base di misurazioni di precisione delle densità del pianeta. Nel complesso i mondi TRAPPIST-1 hanno densità notevolmente simili, il che suggerisce che potrebbero condividere lo stesso rapporto di elementi comuni che formano i pianeti. Le densità dei pianeti sono leggermente inferiori a quelle della Terra o di Venere, il che potrebbe significare che contengono meno ferro (un materiale molto denso), o più materiali a bassa densità, come acqua o ossigeno. Nel primo modello (a sinistra), l'interno del pianeta è composto da ferro misto ad elementi più leggeri, come l'ossigeno. Non c'è un nucleo di ferro solido, come nel caso della Terra e degli altri pianeti rocciosi del nostro sistema solare. Il secondo modello mostra una composizione complessiva simile alla Terra, in cui i materiali più densi si sono depositati al centro del pianeta, formando un nucleo ricco di ferro proporzionalmente più piccolo del nucleo terrestre. Una variazione è mostrata nel terzo pannello dove un più grande, un nucleo più denso potrebbe essere bilanciato da un vasto oceano a bassa densità sulla superficie del pianeta. Però, questo scenario può essere applicato solo ai quattro pianeti esterni nel sistema TRAPPIST-1. Sui tre pianeti interni, tutti gli oceani vaporizzerebbero a causa delle temperature più elevate vicino alla loro stella, ed è richiesto un diverso modello di composizione. Poiché tutti e sette i pianeti hanno densità notevolmente simili, è più probabile che tutti i pianeti condividano una composizione di massa simile, rendendo improbabile questo quarto scenario, ma non escluso. Le misurazioni di massa e diametro ad alta precisione degli esopianeti nel sistema TRAPPIST-1 hanno permesso agli astronomi di calcolare le densità complessive di questi mondi con un grado di accuratezza senza precedenti nella ricerca sugli esopianeti. Le misurazioni della densità sono un primo passo fondamentale nella determinazione della composizione e della struttura degli esopianeti, ma devono essere interpretati attraverso la lente dei modelli scientifici della struttura planetaria. Credito:NASA/JPL-Caltech
La nana rossa TRAPPIST-1 ospita il più grande gruppo di pianeti di circa le dimensioni della Terra mai trovati in un singolo sistema stellare. Situato a circa 40 anni luce di distanza, questi sette fratelli rocciosi forniscono un esempio dell'enorme varietà di sistemi planetari che probabilmente riempiono l'universo.
Un nuovo studio pubblicato oggi su Giornale di scienze planetarie mostra che i pianeti TRAPPIST-1 hanno densità notevolmente simili. Ciò potrebbe significare che contengono tutti circa lo stesso rapporto di materiali che si pensa compongano la maggior parte dei pianeti rocciosi, come il ferro, ossigeno, magnesio, e silicio. Ma se questo è il caso, quel rapporto deve essere notevolmente diverso da quello della Terra:i pianeti TRAPPIST-1 sono circa l'8% meno densi di quanto sarebbero se avessero la stessa composizione del nostro pianeta natale. Sulla base di tale conclusione, gli autori dell'articolo hanno ipotizzato che alcune diverse miscele di ingredienti potrebbero dare ai pianeti TRAPPIST-1 la densità misurata.
Alcuni di questi pianeti sono noti dal 2016, quando gli scienziati hanno annunciato di aver trovato tre pianeti attorno alla stella TRAPPIST-1 utilizzando il Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Cile. Osservazioni successive del telescopio spaziale Spitzer della NASA, ora in pensione, in collaborazione con telescopi terrestri, confermò due dei pianeti originali e ne scoprì altri cinque. Gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, Spitzer ha osservato il sistema per oltre 1, 000 ore prima di essere dismesso nel gennaio 2020. Anche i telescopi spaziali Hubble della NASA e Kepler, ora in pensione, hanno studiato il sistema.
Tutti e sette i pianeti TRAPPIST-1, che sono così vicini alla loro stella che si adatterebbero all'interno dell'orbita di Mercurio, sono stati trovati tramite il metodo di transito:gli scienziati non possono vedere i pianeti direttamente (sono troppo piccoli e deboli rispetto alla stella), quindi cercano cali nella luminosità della stella creati quando i pianeti si incrociano di fronte ad essa.
Questo grafico presenta le proprietà misurate dei sette esopianeti TRAPPIST-1 (etichettati da b ad h), mostrando come si accumulano l'uno con l'altro così come con la Terra e gli altri mondi rocciosi interni nel nostro sistema solare. Le dimensioni relative dei pianeti sono indicate dai cerchi. Tutti i pianeti TRAPPIST-1 conosciuti sono più grandi di Marte, con 5 di essi entro il 15% del diametro della Terra. Le corrispondenti "zone abitabili" dei due sistemi planetari, regioni in cui un pianeta simile alla Terra potrebbe potenzialmente supportare acqua liquida sulla sua superficie, sono indicati nella parte superiore della trama. L'offset tra le due zone è dovuto al fatto che la stella più fredda TRAPPIST-1 emette più luce sotto forma di radiazione infrarossa che viene assorbita in modo più efficiente da un'atmosfera simile alla Terra. Poiché occorre meno illuminazione per raggiungere le stesse temperature, la zona abitabile si sposta più lontano dalla stella. Le masse e le densità dei pianeti TRAPPIST-1 sono state determinate da misurazioni accurate di lievi variazioni nei tempi delle loro orbite utilizzando ampie osservazioni fatte dai telescopi spaziali Spitzer e Kepler della NASA, in combinazione con i dati di Hubble e un certo numero di telescopi terrestri. L'ultima analisi, che include il record completo di Spitzer di oltre 1, 000 ore di osservazioni di TRAPPIST-1, ha ridotto le incertezze delle misurazioni di massa ad un mero 2-3%. Queste sono di gran lunga le misurazioni più accurate delle masse planetarie al di fuori del nostro sistema solare. Credito:NASA/JPL-Caltech
Le osservazioni ripetute dei cali di luce stellare combinate con le misurazioni dei tempi delle orbite dei pianeti hanno permesso agli astronomi di stimare le masse e i diametri dei pianeti, che sono stati a loro volta utilizzati per calcolare le loro densità. I calcoli precedenti hanno determinato che i pianeti hanno all'incirca le dimensioni e la massa della Terra e quindi devono anche essere rocciosi, o terrestre, al contrario di dominato dal gas, come Giove e Saturno. Il nuovo documento offre le misurazioni della densità più precise finora per qualsiasi gruppo di esopianeti, pianeti oltre il nostro sistema solare.
Regno di ferro
Più precisamente gli scienziati conoscono la densità di un pianeta, più limiti possono porre alla sua composizione. Considera che un fermacarte potrebbe avere all'incirca le stesse dimensioni di una palla da baseball, ma di solito è molto più pesante. Insieme, larghezza e peso rivelano la densità di ogni oggetto, e da lì è possibile dedurre che la palla da baseball è fatta di qualcosa di più leggero (corda e pelle) e il fermacarte è fatto di qualcosa di più pesante (di solito vetro o metallo).
Le densità degli otto pianeti nel nostro sistema solare variano ampiamente. il gonfio, giganti dominati dal gas:Giove, Saturno, Urano, e Nettuno, sono più grandi ma molto meno densi dei quattro mondi terrestri perché sono composti principalmente da elementi più leggeri come l'idrogeno e l'elio. Anche i quattro mondi terrestri mostrano una certa varietà nelle loro densità, che sono determinati sia dalla composizione di un pianeta che dalla compressione dovuta alla gravità del pianeta stesso. Sottraendo l'effetto della gravità, gli scienziati possono calcolare la cosiddetta densità non compressa di un pianeta e potenzialmente saperne di più sulla composizione di un pianeta.
I sette pianeti TRAPPIST-1 possiedono densità simili:i valori differiscono di non più del 3%. Questo rende il sistema molto diverso dal nostro. La differenza di densità tra i pianeti TRAPPIST-1 e la Terra e Venere può sembrare piccola, circa l'8%, ma è significativa su scala planetaria. Per esempio, un modo per spiegare perché i pianeti TRAPPIST-1 sono meno densi è che hanno una composizione simile alla Terra, ma con una percentuale di ferro inferiore, circa il 21% rispetto al 32% della Terra, secondo lo studio.
In alternativa, il ferro nei pianeti TRAPPIST-1 potrebbe essere infuso con alti livelli di ossigeno, formazione di ossido di ferro, o ruggine. L'ossigeno aggiuntivo ridurrebbe la densità dei pianeti. La superficie di Marte prende la sua tinta rossa dall'ossido di ferro, ma come i suoi tre fratelli terrestri, ha un nucleo composto da ferro non ossidato. Al contrario, se la minore densità dei pianeti TRAPPIST-1 fosse causata interamente dal ferro ossidato, i pianeti dovrebbero essere arrugginiti dappertutto e non potrebbero avere nuclei di ferro solido.
Eric Agol, un astrofisico dell'Università di Washington e autore principale del nuovo studio, ha detto che la risposta potrebbe essere una combinazione dei due scenari:meno ferro in generale e un po' di ferro ossidato.
Il team ha anche esaminato se la superficie di ciascun pianeta potesse essere ricoperta d'acqua, che è persino più leggero della ruggine e che modificherebbe la densità complessiva del pianeta. Se così fosse, l'acqua dovrebbe rappresentare circa il 5% della massa totale dei quattro pianeti esterni. A confronto, l'acqua costituisce meno di un decimo dell'1% della massa totale della Terra.
Poiché sono posizionati troppo vicino alla loro stella perché l'acqua rimanga liquida nella maggior parte delle circostanze, i tre pianeti interni TRAPPIST-1 richiederebbero calore, atmosfere dense come quella di Venere, tale che l'acqua potrebbe rimanere legata al pianeta sotto forma di vapore. Ma Agol dice che questa spiegazione sembra meno probabile perché sarebbe una coincidenza per tutti e sette i pianeti avere abbastanza acqua presente per avere densità simili.
"Il cielo notturno è pieno di pianeti, ed è stato solo negli ultimi 30 anni che siamo stati in grado di iniziare a svelare i loro misteri, " ha detto Caroline Dorn, un astrofisico dell'Università di Zurigo e coautore dell'articolo. "Il sistema TRAPPIST-1 è affascinante perché attorno a questa stella possiamo conoscere la diversità dei pianeti rocciosi all'interno di un singolo sistema. E possiamo effettivamente imparare di più su un pianeta studiando anche i suoi vicini, quindi questo sistema è perfetto per questo."
