Un nuovo studio mostra come le sostanze chimiche nell'atmosfera di un esopianeta possano, in alcuni casi, rivelare se la temperatura sulla sua superficie è o meno troppo alta per l'acqua liquida.

Nel nostro sistema solare, i pianeti sono piccoli e rocciosi (come la Terra) o grandi e gassosi (come Nettuno). Ma intorno ad altre stelle, gli astronomi hanno trovato pianeti che si trovano nel mezzo:mondi leggermente più grandi della Terra ma più piccoli di Nettuno. Questi pianeti possono avere superfici rocciose o oceani di acqua liquida, ma è probabile che la maggior parte sia sormontata da atmosfere molte volte più spesse di quella terrestre e opache.

Nel nuovo studio, accettato nelle Astrophysical Journal Letters , i ricercatori mostrano come la chimica di quelle atmosfere potrebbe rivelare indizi su ciò che si trova sotto, in particolare, quali pianeti sono troppo caldi per supportare oceani di acqua liquida. Poiché l'acqua liquida è un ingrediente necessario per la vita come la conosciamo, questa tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a restringere la ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili, o pianeti al di là del nostro sistema solare. Più di 4.500 esopianeti sono stati confermati nella nostra galassia, con oltre 7.700 candidati ancora da confermare, ma gli scienziati stimano che nella nostra galassia esistano centinaia di miliardi di esopianeti.

Alcuni telescopi spaziali della NASA dotati di spettrometri possono rivelare la composizione chimica dell'atmosfera di un esopianeta. Un profilo chimico della Terra non sarebbe in grado di rivelare immagini, per esempio, di mucche o esseri umani sulla superficie del pianeta, ma mostrerebbe anidride carbonica e metano prodotti dai mammiferi e ossigeno prodotto dagli alberi. Nessuna di queste sostanze chimiche da sole sarebbe un segno di vita, ma in combinazione indicherebbero la possibilità che il nostro pianeta sia abitato.

Il nuovo documento mostra quali sostanze chimiche potrebbero indicare oceani nascosti su esopianeti tra 1,7 e 3,5 volte il diametro della Terra. Poiché Nettuno è circa quattro volte il diametro della Terra, questi pianeti sono talvolta chiamati "sub-Nettuni".

Un'atmosfera densa su un pianeta sub-Nettuno intrappolerebbe il calore sulla superficie e aumenterebbe la temperatura. Se l'atmosfera raggiunge una certa soglia, in genere circa 1.430 gradi Fahrenheit (770 gradi Celsius), subirà un processo chiamato equilibrio termochimico che cambia il suo profilo chimico. Dopo che si è verificato l'equilibrio termochimico, e supponendo che l'atmosfera del pianeta sia composta principalmente da idrogeno, tipico degli esopianeti gassosi, il carbonio e l'azoto saranno prevalentemente sotto forma di metano e ammoniaca.

Tali sostanze chimiche mancherebbero in gran parte in un'atmosfera più fredda e sottile dove non si è verificato l'equilibrio termochimico. In tal caso, le forme dominanti di carbonio e azoto sarebbero l'anidride carbonica e le molecole di due atomi di azoto.

Un oceano di acqua liquida sotto l'atmosfera lascerebbe ulteriori segni, secondo lo studio, inclusa l'assenza di quasi tutta l'ammoniaca vagante, che verrebbe dissolta nell'oceano. Il gas di ammoniaca è altamente solubile in acqua, a seconda del pH dell'oceano (il suo livello di acidità). In un'ampia gamma di livelli plausibili di pH oceanico, i ricercatori hanno scoperto che l'atmosfera dovrebbe essere praticamente priva di ammoniaca quando c'è un enorme oceano al di sotto.

Inoltre, nell'atmosfera ci sarebbe più anidride carbonica che monossido di carbonio; al contrario, dopo l'equilibrio termochimico, dovrebbe esserci più monossido di carbonio che anidride carbonica se ci sono quantità rilevabili di entrambi.

"Se vediamo le firme dell'equilibrio termochimico, concluderemmo che il pianeta è troppo caldo per essere abitabile", ha affermato Renyu Hu, ricercatore del Jet Propulsion Laboratory della NASA, che ha condotto lo studio. "Al contrario, se non vediamo le firme dell'equilibrio termochimico e vediamo anche le firme del gas disciolto in un oceano di acqua liquida, le prenderemmo come una forte indicazione di abitabilità."

Il James Webb Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto per il 18 dicembre, trasporterà uno spettrometro in grado di studiare le atmosfere degli esopianeti. Scienziati come Hu stanno lavorando per anticipare quali tipi di profili chimici Webb vedrà in quelle atmosfere e cosa potrebbero rivelare su questi mondi lontani. L'osservatorio è in grado di identificare i segni dell'equilibrio termochimico nelle atmosfere sub-nettuniche, in altre parole, i segni di un oceano nascosto, come identificato nel documento.

Man mano che Webb scopre nuovi pianeti o conduce studi più approfonditi su pianeti conosciuti, queste informazioni potrebbero aiutare gli scienziati a decidere quali di essi meritano ulteriori osservazioni, soprattutto se gli scienziati vogliono prendere di mira pianeti che potrebbero ospitare la vita.

"Non abbiamo prove osservative dirette per dirci quali sono le caratteristiche fisiche comuni per i sub-Nettuni", ha detto Hu. "Molti di loro possono avere enormi atmosfere di idrogeno, ma alcuni potrebbero ancora essere "pianeti oceanici". Spero che questo documento motiverà molte altre osservazioni nel prossimo futuro per scoprirlo."