Il NIRCam (Near-Infrared Camera) del telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA ha catturato questa immagine di Eridani 51 b, un esopianeta giovane e freddo che orbita a circa 11 miliardi di miglia (17,7 miliardi di chilometri) dalla sua stella. La scorsa settimana, gli astronomi hanno svelato nuove immagini entusiasmanti di pianeti nei sistemi stellari HR 8799 e 51 Eridani, grazie a un uso creativo del telescopio spaziale James Webb (JWST). William Balmer, dottorando presso la Johns Hopkins University e autore principale dello studio, ha parlato a Space.com di come le immagini siano state catturate dal telescopio spaziale James Webb e perché questi risultati rappresentino un grande passo avanti nella nostra comprensione degli esopianeti, della loro formazione e della ricerca di vita extraterrestre.
“L’imaging diretto è fondamentale per studiare i pianeti distanti perché ci fornisce la maggior parte delle informazioni sulla struttura e composizione delle loro atmosfere, indipendentemente dalla luce della stella ospite,” ha spiegato Balmer. L’imaging diretto dei pianeti distanti pone una grande sfida a causa di diversi fattori. Innanzitutto, i telescopi hanno difficoltà a distinguere la debole luce di un pianeta dalla luce molto più brillante emessa dalla sua stella ospite. Il bagliore della stella può sopraffare qualsiasi segnale proveniente dal pianeta, rendendo difficile studiare l’atmosfera del mondo in dettaglio. Questo problema è aggravato dal fatto che la maggior parte degli esopianeti è incredibilmente lontana da noi, il che limita ulteriormente la capacità di catturare immagini chiare di essi.
Ecco dove entra in gioco il telescopio spaziale James Webb. La sua tecnologia avanzata, inclusi il grande specchio e una serie di strumenti specializzati, gli permette di rilevare emissioni molto deboli provenienti dagli esopianeti orbitanti nella gamma del medio infrarosso dello spettro elettromagnetico, aprendo una nuova frontiera nella ricerca sugli esopianeti. “Diversi gas a varie pressioni e temperature nell’atmosfera del pianeta assorbiranno o emetteranno luce di specifiche lunghezze d’onda, e possiamo usare queste impronte chimiche sulla luce per modellare con crescente chiarezza non solo di cosa sono fatti i pianeti, ma anche come potrebbero essersi formati in base a ciò di cui sono fatti,” ha detto Balmer.
Balmer e colleghi hanno fatto un ulteriore passo avanti catturando innovative immagini coronografiche di esopianeti in HR 8799 e 51 Eridani, utilizzando i coronografi del JWST in modo non convenzionale. “Mi piace scherzare dicendo che per questo articolo abbiamo ‘usato i coronografi nel modo sbagliato’, ma in realtà abbiamo usato una parte molto sottile della maschera del coronografo, che ha permesso a più luce stellare di diffrangere o trapelare ai bordi del coronografo,” ha spiegato Balmer. I coronografi, sviluppati per la prima volta nel 1930 per studiare la corona solare, funzionano bloccando la luce stellare per rivelare oggetti deboli circostanti. Sul JWST, permettono l’imaging ad alto contrasto degli esopianeti nella gamma del vicino e medio infrarosso dello spettro elettromagnetico. Tuttavia, se il coronografo blocca troppa luce, può oscurare non solo la stella ma anche i pianeti vicini. Per affrontare questo problema, il team di Balmer ha regolato le maschere del coronografo del JWST, ottimizzando la quantità di luce stellare bloccata per massimizzare la visibilità dei pianeti.
“Abbiamo fatto affidamento sulla stabilità del JWST, [prima] osservando i nostri obiettivi [e poi immaginando] stelle simili senza pianeti noti per confronto,” ha detto Balmer. Sottraendo queste immagini di riferimento dalle immagini degli obiettivi, il team ha rimosso efficacemente la luce della stella, isolando i deboli segnali provenienti dai pianeti. “Poiché [il JWST] è così stabile, le differenze tra le immagini di riferimento e quelle degli obiettivi sono minori della luce proveniente dai pianeti intorno ai nostri obiettivi [permettendoci di rilevarli più chiaramente],” ha aggiunto Balmer.
Lo studio è notevole anche per aver prodotto la prima immagine in assoluto di HR 8799 a 4,6 micron, una lunghezza d’onda nella gamma del medio infrarosso. Questo è un risultato significativo, poiché l’atmosfera terrestre assorbe gran parte della luce a questa lunghezza d’onda, rendendo quasi impossibili le osservazioni da terra in questa gamma. “L’atmosfera terrestre ha solo una breve finestra di trasparenza a 4,6 micron,” ha spiegato Balmer. “Le precedenti osservazioni da terra avevano tentato di immaginare l’HR 8799 e a queste lunghezze d’onda e avevano fallito. Alcuni telescopi terrestri hanno specchi più grandi del JWST, ma il nostro successo evidenzia quanto sia cruciale la stabilità del JWST per questo tipo di rilevamenti.”
Ma ancora più entusiasmante per il team è stata la capacità del JWST di osservare a 4,3 micron, lunghezze d’onda completamente bloccate dall’atmosfera terrestre. “La lunghezza d’onda più eccitante a cui abbiamo avuto accesso con il JWST è a 4,3 micron, dove nessuno di questi pianeti era stato osservato prima,” ha detto Balmer. “Poiché l’atmosfera terrestre ha molto anidride carbonica, [essa] blocca una grande quantità di luce a questa lunghezza d’onda.” Il vantaggio del JWST qui è che si trova oltre l’atmosfera terrestre, a circa un milione di miglia (1,5 milioni di chilometri) dal nostro pianeta nello spazio.
I livelli di anidride carbonica rivelano dettagli chiave sulla formazione di un pianeta. In un’atmosfera planetaria, monossido di carbonio e anidride carbonica sono entrambi presenti, ma il loro equilibrio dipende dalla quantità di ossigeno disponibile. Poiché l’anidride carbonica contiene più ossigeno del monossido di carbonio, un pianeta con alti livelli di anidride carbonica probabilmente ha una maggiore abbondanza di elementi “pesanti” come carbonio, ossigeno, magnesio e ferro. Questi elementi provengono dai materiali che hanno originariamente formato il pianeta. “Poiché la forza della caratteristica dell’anidride carbonica nelle atmosfere dei pianeti di HR 8799 è così forte, siamo abbastanza sicuri che abbiano una frazione maggiore di elementi pesanti rispetto alla loro stella ospite, il che significa che hanno dovuto raccogliere quegli elementi pesanti da qualche parte,” ha detto Balmer. La spiegazione più probabile è che questi pianeti si siano formati attraverso un processo chiamato accrescimento del nucleo, dove nuclei rocciosi e ghiacciati sono cresciuti abbastanza da catturare spesse atmosfere di idrogeno e altri gas con la loro gravità.
Le osservazioni dello studio hanno anche rivelato una diversità inaspettata nei “colori” dei pianeti interni del sistema HR 8799. “Le differenze tra i pianeti di HR 8799 sono piuttosto interessanti perché in precedenza questi pianeti sembravano relativamente simili nel vicino infrarosso,” ha detto Balmer, sottolineando questo esempio. “Il medio infrarosso ci dà indizi su diverse molecole, quindi potrebbe essere che i diversi colori dei pianeti nelle nostre immagini siano dovuti a differenze nella miscelazione verticale o nella composizione.” Ad esempio, la miscelazione verticale, che è il processo di movimento dei gas su e giù nell’atmosfera di un pianeta, può portare le molecole a finire in luoghi dove gli scienziati potrebbero non aspettarsi di trovarle. “Ad esempio, in base alle temperature dei pianeti di HR 8799, dovrebbero avere molto metano nelle loro atmosfere superiori, e quindi dovremmo vedere grandi caratteristiche di assorbimento del metano,” ha detto Balmer. “Invece, vediamo molto poco metano e molto più monossido di carbonio. Questo perché la miscelazione verticale ha spostato gas caldi e ricchi di CO dagli strati più profondi dell’atmosfera verso gli strati esterni, dove ha ‘superato’ il metano che dovrebbe essere lì.”
Un processo atmosferico simile potrebbe essere in atto in 51 Eridani b, dove il rilevamento del JWST a 4,1 micron suggerisce una chimica del carbonio fuori equilibrio. Questo pianeta è molto più debole del previsto, probabilmente a causa degli alti livelli di anidride carbonica e monossido di carbonio nella sua atmosfera superiore. “Questo indica che il pianeta è probabilmente ricco di metalli, come HR 8799, ma più in particolare che gas caldi, ricchi di monossido di carbonio e anidride carbonica dalla parte inferiore dell’atmosfera del pianeta sono convettati verso l’alto nell’atmosfera superiore, dove assorbono più luce in uscita.” Un processo simile, per contesto, avviene anche sulla Terra.
Balmer spera che i modelli futuri migliorino il modo in cui tengono conto delle nuvole e della miscelazione verticale, permettendo una migliore interpretazione dei dati ad alta precisione. Il loro team ha ottenuto altre 23 ore di tempo del JWST per studiare altri quattro sistemi planetari, con l’obiettivo di determinare se i loro giganti gassosi si siano formati attraverso l’accrescimento del nucleo. Comprendere questo processo potrebbe rivelare come i pianeti giganti influenzino la stabilità e l’abitabilità di mondi terrestri più piccoli e non visibili.