Prima che i pianeti intorno ad altre stelle fossero scoperti per la prima volta negli anni '90, questi remoti mondi esotici vivevano solo nell'immaginazione degli scrittori di fantascienza.

Ma nemmeno le loro menti creative avrebbero potuto concepire la varietà di mondi scoperti dagli astronomi. Molti di questi mondi, chiamati esopianeti, sono molto diversi dalla famiglia di pianeti del nostro sistema solare. Si va dai "caldi Giove" che abbracciano le stelle ai pianeti rocciosi sovradimensionati soprannominati "super Terre". Il nostro universo apparentemente è più strano della finzione.

Vedere questi mondi lontani non è facile perché si perdono nel bagliore delle stelle che li ospitano. Cercare di individuarli è come sforzarsi di vedere una lucciola che si libra vicino al faro brillante di un faro.

Ecco perché gli astronomi hanno identificato la maggior parte degli oltre 4, 000 esopianeti trovati finora utilizzando tecniche indirette, ad esempio attraverso la leggera oscillazione di una stella o il suo inaspettato oscuramento mentre un pianeta le passa davanti, bloccando parte della luce delle stelle.

Queste tecniche funzionano meglio, però, per i pianeti che orbitano vicino alle loro stelle, dove gli astronomi possono rilevare i cambiamenti nel corso di settimane o addirittura giorni mentre il pianeta completa la sua orbita di pista. Ma trovare solo pianeti che sfiorano le stelle non fornisce agli astronomi un quadro completo di tutti i possibili mondi nei sistemi stellari.

Un'altra tecnica utilizzata dai ricercatori nella caccia agli esopianeti, che sono pianeti orbitanti attorno ad altre stelle, è uno che si concentra sui pianeti che sono più lontani dal bagliore accecante di una stella. Gli scienziati hanno scoperto giovani esopianeti così caldi da brillare alla luce infrarossa utilizzando tecniche di imaging specializzate che bloccano il bagliore della stella. In questo modo, alcuni esopianeti possono essere visti e studiati direttamente.

L'imminente James Webb Space Telescope della NASA aiuterà gli astronomi a esplorare ulteriormente questa nuova frontiera audace. Webb, come alcuni telescopi terrestri, è dotato di speciali sistemi ottici chiamati coronografi, che utilizzano maschere progettate per bloccare quanta più luce stellare possibile per studiare deboli esopianeti e scoprire nuovi mondi.

Due obiettivi all'inizio della missione di Webb sono i sistemi planetari 51 Eridani e HR 8799. Delle poche dozzine di pianeti direttamente ripresi, gli astronomi hanno in programma di utilizzare Webb per analizzare in dettaglio i sistemi più vicini alla Terra e con i pianeti alle distanze più ampie dalle loro stelle. Ciò significa che appaiono abbastanza lontani dal bagliore di una stella per essere osservati direttamente. Il sistema HR 8799 risiede a 133 anni luce e 51 Eridani a 96 anni luce dalla Terra.

Gli obiettivi planetari di Webb

Due programmi di osservazione all'inizio della missione di Webb combinano le capacità spettroscopiche del Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) e l'imaging della Near Infrared Camera (NIRCam) e del Mid-Infrared Instrument (MIRI) per studiare i quattro pianeti giganti nel sistema HR 8799. In un terzo programma, i ricercatori useranno NIRCam per analizzare il pianeta gigante in 51 Eridani.

I quattro pianeti giganti nel sistema HR 8799 hanno ciascuno circa 10 masse di Giove. Orbitano a più di 14 miliardi di miglia da una stella leggermente più massiccia del sole. Il pianeta gigante in 51 Eridani ha il doppio della massa di Giove e orbita a circa 11 miliardi di miglia da una stella simile al sole. Entrambi i sistemi planetari hanno orbite orientate frontalmente verso la Terra. Questo orientamento offre agli astronomi un'opportunità unica di ottenere una vista dall'alto dei sistemi, come guardare gli anelli concentrici su un bersaglio di tiro con l'arco.

Molti esopianeti che si trovano nelle orbite esterne delle loro stelle sono molto diversi dai pianeti del nostro sistema solare. La maggior parte degli esopianeti scoperti in questa regione esterna, compresi quelli in HR 8799, sono comprese tra le cinque e le 10 masse di Giove, rendendoli i pianeti più massicci mai trovati fino ad oggi.

Questi esopianeti esterni sono relativamente giovani, da decine di milioni a centinaia di milioni di anni, molto più giovani dei 4,5 miliardi di anni del nostro sistema solare. Quindi stanno ancora brillando per il calore della loro formazione. Le immagini di questi esopianeti sono essenzialmente immagini di bambini, rivelando i pianeti nella loro giovinezza.

Webb esplorerà il medio infrarosso, una gamma di lunghezze d'onda che gli astronomi hanno raramente usato prima per visualizzare mondi lontani. Questa "finestra" infrarossa è difficile da osservare da terra a causa dell'emissione termica e dell'assorbimento nell'atmosfera terrestre.

"Il punto di forza di Webb è la luce disinibita che attraversa lo spazio nel medio infrarosso, " ha detto Klaus Hodapp dell'Università delle Hawaii a Hilo, investigatore capo delle osservazioni NIRSpec del sistema HR 8799. "L'atmosfera terrestre è piuttosto difficile da elaborare. Le principali molecole di assorbimento nella nostra atmosfera ci impediscono di vedere caratteristiche interessanti nei pianeti".

Il medio infrarosso "è la regione in cui Webb darà davvero contributi seminali alla comprensione di quali sono le particolari molecole, quali sono le proprietà dell'atmosfera che speriamo di trovare che in realtà non otteniamo solo dal più breve, lunghezze d'onda del vicino infrarosso, ", ha affermato Charles Beichman del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, investigatore capo delle osservazioni NIRCam e MIRI del sistema HR 8799. "Costruiremo su ciò che hanno fatto gli osservatori terrestri, ma l'obiettivo è espanderlo in un modo che sarebbe impossibile senza Webb."

Come si formano i pianeti?

Uno degli obiettivi principali dei ricercatori in entrambi i sistemi è utilizzare Webb per determinare come si sono formati gli esopianeti. Sono stati creati attraverso un accumulo di materiale nel disco che circonda la stella, arricchito in elementi pesanti come il carbonio, proprio come probabilmente fece Giove? O, si sono formati dal collasso di una nube di idrogeno, come una stella, e diventare più piccoli sotto l'incessante attrazione della gravità?

Il trucco atmosferico può fornire indizi sulla nascita di un pianeta. "Una delle cose che vorremmo capire è il rapporto tra gli elementi che sono entrati nella formazione di questi pianeti, "Beichman ha detto. "In particolare, carbonio contro ossigeno ci dice molto sulla provenienza del gas che ha formato il pianeta. Proviene da un disco che ha accumulato molti degli elementi più pesanti o proviene dal mezzo interstellare? Quindi è quello che chiamiamo il rapporto carbonio-ossigeno che è abbastanza indicativo dei meccanismi di formazione".

Per rispondere a queste domande, i ricercatori useranno Webb per sondare più in profondità le atmosfere degli esopianeti. NIRCam, Per esempio, misurerà le impronte atmosferiche di elementi come il metano. Esaminerà anche le caratteristiche delle nuvole e le temperature di questi pianeti. "Abbiamo già molte informazioni a queste lunghezze d'onda del vicino infrarosso da strutture a terra, " ha detto Marshall Perrin dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland, investigatore capo delle osservazioni NIRCam di 51 Eridani b. "Ma i dati di Webb saranno molto più precisi, molto più sensibile. Avremo un insieme più completo di lunghezze d'onda, compreso il riempimento di spazi vuoti in cui non è possibile ottenere quelle lunghezze d'onda dal suolo".

Gli astronomi useranno anche Webb e la sua superba sensibilità per cacciare pianeti meno massicci lontani dalla loro stella. "Da osservazioni a terra, sappiamo che questi enormi pianeti sono relativamente rari, " disse Perrin. "Ma sappiamo anche che per le parti interne dei sistemi, i pianeti di massa inferiore sono drammaticamente più comuni dei pianeti di massa maggiore. Quindi la domanda è, vale anche per queste ulteriori separazioni?" Beichman ha aggiunto, "L'operazione di Webb nell'ambiente freddo dello spazio consente una ricerca di più deboli, pianeti più piccoli, impossibile da rilevare da terra."

Un altro obiettivo è capire come sono stati creati la miriade di sistemi planetari scoperti finora.

"Penso che ciò che stiamo scoprendo è che c'è un'enorme diversità nei sistemi solari, "Ha detto Perrin. "Hai sistemi in cui hai questi pianeti caldi di Giove in orbite molto vicine. Hai sistemi dove non li hai. Hai sistemi in cui hai un pianeta con una massa di 10 Giove e altri in cui non hai niente di più massiccio di diverse Terre. In definitiva vogliamo capire come la diversità della formazione del sistema planetario dipenda dall'ambiente della stella, la massa della stella, ogni sorta di altre cose e alla fine attraverso questi studi a livello di popolazione, speriamo di collocare il nostro sistema solare in un contesto".

Le osservazioni spettroscopiche NIRSpec di HR 8799 e le osservazioni NIRCam di 51 Eridani fanno parte dei programmi di osservazione del tempo garantito che saranno condotti poco dopo il lancio di Webb entro la fine dell'anno. Le osservazioni NIRCam e MIRI di HR 8799 sono una collaborazione di due squadre strumentali e fanno anche parte del programma Guaranteed Time Observations.