Utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST), un team di astronomi, tra cui scienziati dell'MPIA, ha costruito una mappa della temperatura globale del caldo esopianeta gigante gassoso WASP-43b. La vicina stella madre illumina perpetuamente un emisfero, aumentando la temperatura fino a 1250°C. Nel frattempo, la notte eterna avvolge il lato opposto.
Venti violenti trasportano l'aria calda e rovente verso la parte notturna, dove si raffredda fino a 600°C, permettendo alle nuvole di formarsi e ricoprire l'intero emisfero. Queste tempeste compromettono a tal punto le reazioni chimiche che difficilmente riesce a formarsi metano, anche se dovrebbe essere abbondante in condizioni più calme.
I Giove caldi sono esopianeti giganti gassosi estremi che orbitano attorno alle loro stelle ospiti in stretta vicinanza, portando a diverse proprietà esotiche riguardanti temperatura, densità, composizione, chimica e tempo. Con l'avvento di telescopi straordinariamente sensibili, come il James Webb Space Telescope (JWST), gli astronomi hanno iniziato a studiare le loro atmosfere in grande dettaglio.
Una collaborazione internazionale di astronomi, il team JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), ha osservato il caldo Giove WASP-43b con il Mid-Infrared Instrument (MIRI) di JWST per studiarne il clima.
I risultati di tale indagine condotta da Taylor J. Bell (BAER Institute e Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, Stati Uniti) sono pubblicati su Nature Astronomy .
Il risultato principale è una mappa che delinea la distribuzione della temperatura globale derivata dalla luce infrarossa che WASP-43b emette in risposta all’irradiazione della sua stella ospite. Coprendo una gamma spettrale sensibile ai materiali caldi, MIRI funziona in modo simile a un termometro senza contatto utilizzato per misurare la temperatura corporea, ma su grandi distanze, pari a 280 anni luce per WASP-43b.
In questa mappa le temperature misurate sono comprese tra 600°C e 1250°C. Al contrario, utilizzando osservazioni comparabili, Giove, il gigante gassoso del sistema solare, raggiunge i -135°C gelidi.
Sebbene simile per dimensioni e massa a Giove, è un mondo molto diverso. WASP-43b mantiene un'orbita eccezionalmente stretta attorno alla sua stella ospite, WASP-43, viaggiando solo due diametri stellari sopra la superficie della stella e completando la sua orbita in sole 19,5 ore. La piccola separazione ha portato alla sincronizzazione del giorno e dell’anno del pianeta. In altre parole, per ruotare attorno alla stella occorre lo stesso tempo necessario al pianeta per ruotare attorno al proprio asse. Di conseguenza, la stella illumina e riscalda sempre lo stesso lato del pianeta.
I venti trasportano l'aria nell'emisfero opposto, dove si raffredda nella notte eterna. Tuttavia, su WASP-43b, questi venti sono estremamente violenti, con velocità che raggiungono quasi i 9.000 km/h, una velocità superiore a qualsiasi cosa a cui assistiamo nel sistema solare. In confronto, anche i venti più forti di Giove non sono altro che una leggera brezza.
"Con Hubble, abbiamo potuto vedere chiaramente che c'è vapore acqueo sul lato diurno. Sia Hubble che Spitzer hanno suggerito che potrebbero esserci nuvole sul lato notturno", ha spiegato Bell. "Ma avevamo bisogno di misurazioni più precise da parte del JWST per iniziare davvero a mappare la temperatura, la copertura nuvolosa, i venti e la composizione atmosferica più dettagliata in tutto il pianeta."
Le osservazioni del JWST hanno rilevato che il contrasto di temperatura tra il lato diurno e quello notturno è più forte di quanto ci si aspetterebbe da un'atmosfera priva di nuvole. I calcoli del modello confermano che il lato notturno del pianeta è avvolto da uno spesso strato di nuvole nella parte alta dell'atmosfera, che blocca gran parte della radiazione infrarossa proveniente dal basso che altrimenti vedremmo.
I tipi esatti di nuvole sono ancora sconosciuti. Chiaramente, non saranno nubi d’acqua come quelle sulla Terra, per non parlare delle nubi di ammoniaca che vediamo su Giove, poiché il pianeta è troppo caldo perché l’acqua e l’ammoniaca possano condensarsi. Invece, a queste temperature è più probabile che siano presenti nubi composte da rocce e minerali. Quindi, dovremmo aspettarci nuvole fatte di goccioline di roccia liquida. D'altro canto, il lato diurno più caldo di WASP-43b sembra essere privo di nubi.
Per sondare la composizione atmosferica in modo più dettagliato, il team ha prodotto degli spettri, ovvero ha scomposto la luce infrarossa ricevuta in minuscole sezioni di lunghezza d'onda, simili a un arcobaleno che rivela le componenti cromatiche della luce solare. Questo metodo ha permesso loro di identificare le firme dei singoli composti chimici che si irradiano a lunghezze d'onda specifiche.
Di conseguenza, gli astronomi hanno confermato le misurazioni precedenti del vapore acqueo, ma ora sull’intero pianeta. Hubble è stato in grado di studiare solo il lato diurno, poiché il lato notturno era troppo buio per riconoscere le molecole presenti. JWST, con la sua maggiore sensibilità, ora completa il quadro.
Inoltre, i pianeti gioviani caldi ospitano tipicamente grandi quantità di idrogeno molecolare e monossido di carbonio, entrambi i quali non possono essere analizzati con le osservazioni del team. Tuttavia, se sottoposti al lato notturno più fresco, l’idrogeno e il monossido di carbonio partecipano a una serie di reazioni che produrrebbero metano e acqua. Tuttavia, il MIRI non ha trovato metano.
Gli astronomi spiegano questa sorpresa con l'enorme velocità del vento su WASP-43b. I partner della reazione attraversano il lato notturno più fresco così rapidamente che rimane poco tempo affinché le reazioni chimiche previste producano quantità rilevabili di metano. Qualsiasi piccola frazione di metano viene completamente miscelata con gli altri gas. Raggiunge rapidamente di nuovo la luce del giorno, dove è esposto al calore distruttivo.
"Con la nuova potenza osservativa di JWST, WASP-43b è stato svelato con un dettaglio senza precedenti", ha affermato Laura Kreidberg, direttrice del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania. È coautrice dell'articolo di ricerca sottostante ed esplora il pianeta da un decennio.
"Vediamo un mondo complesso e inospitale, con venti furiosi, enormi cambiamenti di temperatura e nuvole irregolari, probabilmente costituite da goccioline di roccia. WASP-43b ci ricorda la vasta gamma di climi possibili sugli esopianeti e i molti modi in cui la Terra è speciale."
Osservazione di una giostra planetaria
WASP-43b è stato scoperto nel 2011 tramite il metodo del transito. Ogni volta che l'orbita di un esopianeta è orientata in modo tale che, dal nostro punto di vista, passa davanti alla sua stella ospite, l'occultazione blocca una piccola porzione della luce stellare. Questi cali periodici della luminosità stellare sono un segno rivelatore di un oggetto che ruota attorno alla stella. La forma esatta permette di calcolare le dimensioni del pianeta e l'inclinazione orbitale.
Gli astronomi sfruttano un effetto secondario per studiare il pianeta in dettaglio. Considera Venere che cambia la sua illuminazione, assomigliando alle fasi lunari, durante la sua orbita attorno al sole. Gli esopianeti in transito presentano diverse fasi di emissione infrarossa più o meno allo stesso modo, a seconda di come la stella riscalda il lato diurno.
Osservando il graduale cambiamento delle proporzioni che vediamo degli emisferi caldi e freddi si ottiene uno schema caratteristico di come la luminosità infrarossa misurata del pianeta varia nel tempo. Analizzando questo minuscolo segnale, la cosiddetta curva di fase, gli astronomi hanno ricevuto da WASP-43b hanno permesso loro di costruire la mappa della temperatura e localizzare i gas che compongono l'atmosfera del pianeta.
Uno studio di follow-up condotto da un altro team guidato dall'ex scienziato MPIA Stephan Birkmann (Agenzia spaziale europea, ESA) esaminerà WASP-43b con lo spettrometro a infrarossi vicini (NIRSpec) di JWST. Queste misurazioni saranno sensibili al monossido di carbonio che dovrebbe essere prevalente in tutta l'atmosfera.
Inoltre, la copertura ampliata della lunghezza d'onda migliorerà la fedeltà della mappa della temperatura MIRI e aiuterà a studiare la distribuzione e la composizione delle nuvole in modo più preciso.
Ulteriori informazioni: Taylor J. Bell et al, Nuvole notturne e chimica del disequilibrio sul caldo Giove WASP-43b, Astronomia naturale (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x
Informazioni sul giornale: Astronomia naturale
Fornito dalla Max Planck Society
