Figura. 1:Rappresentazione artistica della superficie fusa di un giovane pianeta roccioso che reagisce con la sua atmosfera primordiale per formare vapore acqueo. Credito:Tadahiro Kimura
La recente esplorazione di esopianeti si è concentrata sulla scoperta di pianeti rocciosi temperati come la Terra, che sono spesso chiamati pianeti abitabili. La maggior parte delle recenti missioni mirano a stelle più fredde del sole. Tali stelle sono conosciute come nane rosse o stelle di tipo M, che sono numerose nel vicinato solare.
Un'insolazione moderata e una quantità adeguata di acqua di mare sono necessarie affinché un pianeta mantenga un clima temperato. I precedenti modelli di formazione dei pianeti, tuttavia, prevedono che il tasso di occorrenza di pianeti che soddisfano tali condizioni attorno a stelle di tipo M è piccolo. Nuove simulazioni condotte da Tadahiro Kimura, uno studente di dottorato dell'Università di Tokyo e dal Prof. Masahiro Ikoma della Divisione di Scienze, NAOJ, si sono concentrate sulla formazione di un'atmosfera ricca di idrogeno dal disco protoplanetario e sulla produzione di acqua attraverso la reazione tra l'atmosfera e l'oceano di magma.
Hanno sviluppato un nuovo modello di formazione dei pianeti e, quindi, hanno previsto la quantità di acqua di mare che avrebbero gli esopianeti in orbita attorno a stelle di tipo M. Di conseguenza, la loro stima mostra che la maggior parte dei pianeti con raggi simili alla Terra e insolazione in orbita attorno a stelle di tipo M hanno quantità moderate di acqua di mare. Ciò suggerisce che la scoperta di pianeti con climi temperati nel prossimo decennio è probabile. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Astronomy il 29 settembre.
Dal primo rilevamento nel 1995, sono stati rilevati più di 5.000 pianeti in orbita attorno a stelle diverse dal sole (esopianeti). Il rilevamento di un numero così elevato di esopianeti ha dimostrato che i sistemi planetari esistono comunemente nell'universo. D'altra parte, è anche diventato chiaro che gli esopianeti sono diversi in termini di dimensioni, composizione, distanza dalla stella centrale e insolazione.
Tra i pianeti rilevati finora, ci sono molti pianeti delle dimensioni della Terra. Se qualcuno di loro ha un clima temperato come la Terra è una questione di grande interesse. L'acqua è necessaria per la vita sulla Terra, ma l'acqua gioca anche un ruolo importante nel clima. È noto che il mantenimento di climi temperati richiede una moderata quantità di radiazione stellare e un oceano con una moderata quantità di acqua.
La Terra odierna è in grado di mantenere un clima caldo grazie al funzionamento del ciclo del carbonio con la tettonica a zolle e gli agenti atmosferici continentali; se la quantità di acqua oceanica fosse diverse decine di volte maggiore rispetto a quella terrestre, il ciclo del carbonio sarebbe limitato, determinando un clima estremamente caldo o freddo.
Un'idea diffusa è che gli oceani della Terra di oggi siano stati trasportati da corpi rocciosi o ghiacciati portatori di acqua. Precedenti studi che hanno applicato questa idea agli esopianeti attorno a stelle di tipo M hanno portato alla previsione che i pianeti con contenuto d'acqua moderato sono rari, suggerendo che sebbene le stelle di tipo M siano l'obiettivo principale delle future ricerche di pianeti abitabili, è altamente improbabile che vengano trovati pianeti abitabili .
D'altra parte, la produzione di acqua in un'atmosfera di accumulo è stata proposta come processo alternativo di acquisizione dell'acqua in precedenti ricerche del Prof. Ikoma e del suo collega. Generalmente, quando un pianeta cresce in un disco protoplanetario, acquisisce gravitazionalmente gas dal disco e forma un'atmosfera composta principalmente da idrogeno.
Inoltre, si pensa che la superficie rocciosa del pianeta in crescita sia fusa a causa del calore degli impatti celesti (vedi Fig. 1); vale a dire, il pianeta è coperto da un oceano di magma. In questo momento, una reazione chimica tra l'idrogeno atmosferico e gli ossidi nell'oceano di magma porta alla produzione di acqua. Tenendo conto degli effetti di una tale reazione di produzione di acqua, è possibile formare un pianeta più ricco di acqua rispetto ai modelli teorici convenzionali.
Figura 2:Distribuzione dei raggi orbitali e delle masse dei pianeti formati intorno a 10.000 stelle di tipo M (0,3 masse solari). Il colore di ogni simbolo rappresenta la frazione di massa dell'atmosfera primordiale del pianeta. Le caselle tratteggiate indicano le regioni di pianeti di massa vicina alla Terra nella zona abitabile. Credito:Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone
La quantità di roccia idrata acquisita da un pianeta e la quantità di acqua ottenuta dalle reazioni di produzione dell'acqua dipendono fortemente dal processo di formazione del pianeta. In questo studio, Tadahiro Kimura e Masahiro Ikoma hanno sviluppato un nuovo modello di sintesi della popolazione planetaria per ristimare la frequenza dei pianeti acquatici nei sistemi extrasolari attorno alle stelle di tipo M.
Il modello segue la crescita di massa e l'evoluzione orbitale dei pianeti sulla base delle ultime teorie sulla formazione dei pianeti e può calcolare la quantità di acqua acquisita nel processo. Oltre all'acquisizione precedentemente considerata di rocce idrate, il modello incorpora anche l'effetto della produzione di acqua nell'atmosfera primordiale.
Le simulazioni numeriche che utilizzano questo modello mostrano che un'ampia varietà di pianeti di diverse dimensioni e massa atmosferica viene prodotta in varie località (vedi Fig. 2). Il contenuto d'acqua calcolato per i pianeti nella zona abitabile è mostrato in Fig. 3.
Figura 3:Distribuzione di probabilità delle frazioni di massa dell'acqua di mare per pianeti di massa simile alla Terra (0,3-3 volte la massa terrestre) situati nella zona abitabile attorno a stelle di tipo M (0,3 masse solari). Il verde è il risultato di calcoli secondo il modello convenzionale e considerando solo l'acquisizione di rocce portanti l'acqua. L'arancione è il risultato quando si utilizza il modello del presente studio e si tiene conto dell'effetto della produzione di acqua nell'atmosfera primordiale. La linea tratteggiata è la quantità attuale di acqua di mare sulla Terra. Credito:Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone
Come mostrato nella figura, gli esopianeti in orbita attorno a stelle di tipo M possono trattenere quantità d'acqua molto diverse quando la produzione di acqua nell'atmosfera primordiale funziona. Alcuni di questi pianeti si sono formati con quantità di acqua di mare simili a quella della Terra. La maggior parte dell'acqua di mare su questi pianeti viene portata attraverso la produzione di acqua atmosferica. L'analisi dei dati di calcolo ha portato alla previsione che una certa percentuale dei pianeti con raggi planetari compresi tra 0,7 e 1,3 volte quello della Terra conservano quantità d'acqua adeguate per sostenere i climi temperati (circa 0,1-100 volte il contenuto di acqua di mare della Terra).
Si prevede che quasi 100 pianeti delle dimensioni della Terra saranno rilevati nella zona abitabile attorno alle stelle di tipo M nei programmi di esplorazione di esopianeti in corso e futuri come TESS e PLATO. I risultati di questo studio prevedono che molti di questi pianeti saranno pianeti acquatici con climi caldi simili a quelli della Terra.
Le osservazioni degli spettri atmosferici degli esopianeti da parte dei telescopi spaziali a infrarossi JWST e Ariel riveleranno anche la presenza di molecole d'acqua e altri elementi nell'atmosfera. Queste osservazioni dovrebbero convalidare le previsioni teoriche di questa ricerca e portare a una migliore comprensione del processo di formazione di pianeti acquatici come la Terra. + Esplora ulteriormente
