Questa illustrazione mostra l'impressione di un artista di WASP-39b, un pianeta gigante gassoso caldo e gonfio, in base ai dati disponibili. Credito:NASA, ESA, CSA e J. Olmsted (STScI)
È giunto il momento per il telescopio spaziale James Webb di portare l'astronomia degli esopianeti ai confini esterni. I ricercatori europei hanno lavorato molto per prepararsi a questo momento.
Dal suo lancio il 25 dicembre 2021 a bordo di un razzo Ariane 5 dalla Guyana francese e dopo 30 anni di lavoro, il James Webb Space Telescope (JWST) è il regalo di Natale per gli astronomi che continua a donare.
Come molti astronomi in Europa, Pierre-Olivier Lagage, astrofisico presso la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA) con sede a Parigi, si prepara da anni per il JWST.
Un progetto congiunto con la NASA, l'Agenzia spaziale canadese (CSA) e l'Agenzia spaziale europea (ESA), JWST ha iniziato a trasmettere le sue prime immagini del cosmo nel luglio 2022 dopo essere arrivato al suo punto di osservazione a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra e aver spiegato le sue caratteristico parasole gigante.
Un degno successore dell'iconico telescopio spaziale Hubble, il JWST da 10 miliardi di euro ha grandi obiettivi scientifici. Questi includono lo studio dell'universo primordiale subito dopo il Big Bang, le galassie e la formazione stellare, i buchi neri, il nostro sistema solare e la ricerca dei mattoni della vita nell'universo.
Miniera d'oro scientifica
"Un esopianeta è un pianeta in orbita attorno a una stella diversa dal sole", ha detto Lagage.
Lagage è il principale investigatore del progetto ExoplANETS A, l'analisi degli spettri di trasmissione delle nuove emissioni dell'atmosfera di Exoplanet, finanziata da H2020. Lui e i suoi colleghi hanno sviluppato uno strumento di dati per sfruttare la ricchezza di dati spettroscopici esistenti provenienti da precedenti missioni per studiare gli esopianeti.
Da sempre, l'astronomia degli esopianeti ha scoperto migliaia di esopianeti negli ultimi 20 anni. Ora la strumentazione di spettroscopia di JWST offre un'opportunità senza precedenti per studiare gli esopianeti per le firme chimiche della vita nella loro atmosfera.
La spettroscopia degli esopianeti in transito è una delle tecniche principali nell'astronomia degli esopianeti. Quando un pianeta in orbita si muove davanti alla sua stella rispetto all'osservatore, lo spettro della luce della stella cambia mentre attraversa l'atmosfera del pianeta. Quando vengono rilevati i cambiamenti nella luce, indicano la composizione chimica dell'atmosfera del pianeta e se è probabile che sostenga la vita o meno.
The Exoplanets Uno strumento utilizza l'analisi dei dati per consentire agli astronomi di caratterizzare un'ampia gamma di atmosfere di esopianeti. È probabile che gli astronomi che utilizzano JWST lo trovino utile per aiutare le proprie osservazioni indicando quali informazioni potrebbero essere utili e quali potrebbero essere rumore.
Uno svantaggio delle osservazioni spettroscopiche è che mentre sono una miniera d'oro di informazioni, il segnale è confuso con molto rumore. Informazioni inutili non correlate all'atmosfera dell'esopianeta possono oscurare i dati preziosi nell'osservazione.
Rumore sistematico
Questo perché il segnale creato dall'atmosfera planetaria è minuscolo rispetto al resto della luce proveniente dalla stella, secondo Lagage. "Quindi, devi sviluppare strumenti per rimuovere questo rumore sistematico e ottenere il segnale giusto", ha affermato.
The Exoplanets Un progetto va oltre. Per modellare l'atmosfera di un esopianeta, devi anche avere una buona comprensione della sua stella ospite. Per aiutare in questo, il progetto ha creato un database delle proprietà delle stelle con esopianeti. È stato realizzato con i dati archiviati dall'osservatorio spaziale XMM-Newton e Gaia dell'ESA.
Le prime osservazioni dell'esopianeta di JWST riguardavano il pianeta gigante gassoso WASP-39b, descritto come un "giove caldo". Orbita attorno a una stella simile al sole a 700 anni luce di distanza. Il mese scorso, utilizzando la spettroscopia, JWST ha effettuato la prima osservazione confermata di anidride carbonica in un esopianeta.
Preso in un TRAPPIST-1
Il progetto ESCAPE (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets similar to Earth) ha anche cercato scorciatoie per aiutare a caratterizzare le atmosfere di esopianeti simili alla Terra.
Martin Turbet, astrofisico del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e ricercatore principale del progetto ESCAPE finanziato da H2020, ha affermato che ciò richiedeva l'esplorazione di nuove tecniche di osservazione, utilizzando diversi telescopi terrestri e spaziali.
Ad esempio, gli astronomi hanno sviluppato nuovi metodi per calcolare la densità dei pianeti in orbita attorno a TRAPPIST-1, una stella nana rossa ultra fredda a circa 40 anni luce dal nostro sistema solare.
Questa immagine mostra l'esopianeta HIP 65426 b in diverse bande di luce infrarossa, come si vede dal telescopio spaziale James Webb. Crediti:NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), il team ERS 1386 e A. Pagan (STScI)
Scoperta inizialmente nel 2000, è stato successivamente annunciato nel 2017 che la stella TRAPPIST-1 ospita sette piccoli esopianeti, orbitanti in stretta formazione, almeno alcuni dei quali potrebbero essere abitabili.
Per calcolare la densità di un pianeta, devi conoscerne il raggio e la massa. Il dimensionamento del pianeta può essere effettuato utilizzando osservazioni spettroscopiche. La massa può essere calcolata osservando l'effetto dell'attrazione gravitazionale del pianeta sulla sua stella ospite.
Pesare esopianeti
"Questo è il modo classico per misurare il peso di un pianeta", ha detto Turbet. "Ma nel caso dei pianeti TRAPPIST-1, la massa dei pianeti è così piccola che la tecnica classica non funziona".
Tuttavia, il sistema TRAPPIST-1 è peculiare perché i sette pianeti orbitano tutti molto vicini l'uno all'altro ed esercitano forti forze gravitazionali l'uno sull'altro, ha detto.
Ciò influisce sulle loro orbite e significa che non passano, o transitano, davanti alla loro stella ospite in punti temporali fissi.
La misurazione delle deviazioni in questi tempi di transito ha consentito ai ricercatori di valutare la forza delle forze gravitazionali tra i pianeti e di valutarne le masse, ha affermato Turbet.
Grazie a questa tecnica, dicono di essere ora in grado di fare le previsioni più accurate finora del contenuto d'acqua dei sette pianeti conosciuti nel sistema TRAPPIST-1.
Le osservazioni e i calcoli di massa, densità e contenuto d'acqua sono stati effettuati utilizzando telescopi terrestri, come il telescopio SPECULOOS presso l'Osservatorio europeo meridionale (ESO) in Cile, telescopi spaziali e nuovi lavori teorici.
Turbet ha affermato che il JWST e il previsto Extremely Large Telescope (ELT) potrebbero essere in grado di rilevare potenziali segni di vita, noti come biomarcatori, nelle atmosfere degli esopianeti.
Ha avvertito, tuttavia, che questi "non possono essere usati come prova definitiva che c'è vita sul pianeta". Questo perché un lavoro recente ha dimostrato che i biomarcatori, come l'ossigeno, possono formarsi senza vita.
La luce delle stelle riflessa
Turbet e i suoi colleghi hanno anche studiato una nuova tecnica di spettroscopia, nota come spettroscopia a luce riflessa. Piuttosto che analizzare come cambia la luce di una stella quando un pianeta le passa davanti, questo metodo esamina come la luce della stella viene riflessa dall'atmosfera del pianeta.
I modelli del contenuto d'acqua e delle atmosfere planetarie aiuteranno anche le osservazioni del JWST, ha affermato Turbet. Consentiranno agli astronomi di pianificare le loro osservazioni per massimizzare la raccolta di dati di genuino interesse.
Detto questo, la ricerca sugli esopianeti non riguarda solo la ricerca di vita aliena. Secondo Lagage, gli esopianeti potrebbero anche fornirci informazioni sulla storia della Terra e su come si è sviluppata la sua atmosfera.
"Quello che mi interessa di più è l'atmosfera degli esopianeti della super-Terra e delle dimensioni della Terra", ha detto. + Esplora ulteriormente
