Normalmente, i pianeti nei sistemi planetari evoluti, come il sistema solare, seguono orbite stabili attorno alla loro stella centrale. Tuttavia, molte indicazioni suggeriscono che alcuni pianeti potrebbero allontanarsi dai loro luoghi di nascita durante la loro prima evoluzione migrando verso l'interno o verso l'esterno.
Questa migrazione planetaria potrebbe anche spiegare un’osservazione che ha lasciato perplessi i ricercatori per diversi anni:il numero relativamente basso di esopianeti con dimensioni circa due volte più grandi della Terra, noto come valle del raggio o gap. Al contrario, ci sono molti esopianeti più piccoli e più grandi di queste dimensioni.
"Sei anni fa, una nuova analisi dei dati del telescopio spaziale Kepler ha rivelato una carenza di esopianeti con dimensioni intorno a due raggi terrestri", spiega Remo Burn, ricercatore di esopianeti presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg. È l'autore principale dell'articolo che riporta i risultati delineati in questo articolo, ora pubblicato su Nature Astronomy .
"In effetti, noi, come altri gruppi di ricerca, abbiamo previsto sulla base dei nostri calcoli, anche prima di questa osservazione, che un tale divario dovesse esistere", spiega il coautore Christoph Mordasini, membro del Centro nazionale di competenza nella ricerca (NCCR) Pianeta S. Dirige la Divisione di ricerca spaziale e scienze planetarie dell'Università di Berna. Questa previsione ha avuto origine durante il suo mandato come scienziato presso l'MPIA, che da molti anni conduce ricerche in questo campo insieme all'Università di Berna.
Il meccanismo più comunemente suggerito per spiegare l’emergere di tale valle del raggio è che i pianeti potrebbero perdere una parte della loro atmosfera originale a causa dell’irradiazione della stella centrale, in particolare di gas volatili come idrogeno ed elio. "Tuttavia, questa spiegazione trascura l'influenza della migrazione planetaria", chiarisce Burn.
È stato stabilito per circa 40 anni che, in determinate condizioni, i pianeti possono muoversi verso l'interno e verso l'esterno attraverso i sistemi planetari nel corso del tempo. L'efficacia di questa migrazione e la misura in cui influenza lo sviluppo dei sistemi planetari influisce sul suo contributo alla formazione della Radius Valley.
Due diversi tipi di esopianeti popolano l’intervallo di dimensioni che circonda il divario. Da un lato ci sono i pianeti rocciosi, che possono essere più massicci della Terra e per questo chiamati super-Terre. D'altra parte, gli astronomi scoprono sempre più spesso i cosiddetti sub-Nettuno (anche mini-Nettuno) in sistemi planetari distanti, che sono, in media, leggermente più grandi delle super-Terre.
"Tuttavia, non abbiamo questa classe di esopianeti nel sistema solare", sottolinea Burn. "Ecco perché, ancora oggi, non siamo esattamente sicuri della loro struttura e composizione."
Tuttavia, gli astronomi concordano ampiamente sul fatto che questi pianeti possiedono atmosfere significativamente più estese rispetto ai pianeti rocciosi. Di conseguenza, la comprensione di come le caratteristiche di questi sub-Nettuno contribuiscano al divario del raggio è stata incerta. Il divario potrebbe addirittura suggerire che questi due tipi di mondi si formino in modo diverso?
Pianeti ghiacciati erranti
"Sulla base delle simulazioni che abbiamo già pubblicato nel 2020, gli ultimi risultati indicano e confermano che invece l'evoluzione dei sub-Nettuno dopo la loro nascita contribuisce in modo significativo alla valle del raggio osservata", conclude Julia Venturini dell'Università di Ginevra. È membro della collaborazione PlanetS e ha condotto lo studio del 2020.
Nelle regioni ghiacciate dei loro luoghi di nascita, dove i pianeti ricevono poca radiazione riscaldante dalla stella, i sub-Nettuno dovrebbero infatti avere dimensioni mancanti nella distribuzione osservata. Mentre questi pianeti presumibilmente ghiacciati migrano più vicino alla stella, il ghiaccio si scioglie, formando infine una densa atmosfera di vapore acqueo.
Questo processo si traduce in uno spostamento dei raggi dei pianeti verso valori più grandi. Dopotutto, le osservazioni utilizzate per misurare i raggi planetari non possono distinguere se la dimensione determinata è dovuta solo alla parte solida del pianeta o ad un'atmosfera densa aggiuntiva.
Allo stesso tempo, come già suggerito nell'immagine precedente, i pianeti rocciosi "si restringono" perdendo la loro atmosfera. Nel complesso, entrambi i meccanismi producono una mancanza di pianeti con dimensioni intorno a due raggi terrestri.
"La ricerca teorica del gruppo di Berna-Heidelberg ha già fatto avanzare in modo significativo la nostra comprensione della formazione e della composizione dei sistemi planetari in passato", spiega il direttore dell'MPIA Thomas Henning. "L'attuale studio è, quindi, il risultato di molti anni di lavoro preparatorio congiunto e di costanti miglioramenti ai modelli fisici."
Gli ultimi risultati derivano da calcoli di modelli fisici che tracciano la formazione dei pianeti e la successiva evoluzione. Includono processi nei dischi di gas e polvere che circondano le giovani stelle che danno origine a nuovi pianeti. Questi modelli includono l'emergere di atmosfere, la miscelazione di gas diversi e la migrazione radiale.
"Al centro di questo studio erano le proprietà dell'acqua alle pressioni e alle temperature che si verificano all'interno dei pianeti e delle loro atmosfere", spiega Burn. Comprendere come si comporta l’acqua in un’ampia gamma di pressioni e temperature è fondamentale per le simulazioni. Questa conoscenza è stata di qualità sufficiente solo negli ultimi anni. È questa componente che consente un calcolo realistico del comportamento dei sub-Nettuno, spiegando quindi la manifestazione di estese atmosfere nelle regioni più calde.
"È notevole come, come in questo caso, le proprietà fisiche a livello molecolare influenzino i processi astronomici su larga scala come la formazione delle atmosfere planetarie", aggiunge Henning.
"Se dovessimo espandere i nostri risultati alle regioni più fredde, dove l'acqua è liquida, ciò potrebbe suggerire l'esistenza di mondi acquatici con oceani profondi", afferma Mordasini. "Tali pianeti potrebbero potenzialmente ospitare la vita e, grazie alle loro dimensioni, costituirebbero obiettivi relativamente semplici per la ricerca di biomarcatori."
Tuttavia, il lavoro attuale è solo una pietra miliare importante. Sebbene la distribuzione dimensionale simulata corrisponda strettamente a quella osservata e il divario del raggio sia nel posto giusto, i dettagli presentano ancora alcune incongruenze. Ad esempio, nei calcoli troppi pianeti ghiacciati risultano troppo vicini alla stella centrale. Tuttavia, i ricercatori non percepiscono questa circostanza come uno svantaggio, ma sperano di saperne di più sulla migrazione planetaria in questo modo.
Anche le osservazioni con telescopi come il James Webb Space Telescope (JWST) o l’Extremely Large Telescope (ELT) in costruzione potrebbero essere d’aiuto. Sarebbero in grado di determinare la composizione dei pianeti in base alle loro dimensioni, fornendo così un test per le simulazioni qui descritte.
Gli scienziati dell'MPIA coinvolti in questo studio sono Remo Burn e Thomas Henning.
Altri ricercatori includono Christoph Mordasini (Università di Berna, Svizzera [Unibe]), Lokesh Mishra (Università di Genève, Svizzera [Unige] e Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) e Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian Università di Monaco, Germania e Unibe).
Il telescopio spaziale Kepler della NASA ha cercato pianeti attorno ad altre stelle tra il 2009 e il 2018 e ha scoperto migliaia di nuovi esopianeti durante il suo funzionamento. Ha utilizzato il metodo del transito:quando l'orbita di un pianeta è inclinata in modo tale che l'aereo si trova all'interno della linea di vista del telescopio, i pianeti bloccano periodicamente parte della luce della stella durante la loro orbita. Questa fluttuazione periodica della luminosità della stella consente il rilevamento indiretto del pianeta e la determinazione del suo raggio.
Ulteriori informazioni: Una valle radiosa tra mondi di vapore migrato e nuclei rocciosi evaporati, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7
Informazioni sul giornale: Astronomia naturale
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