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HD 97658b, una super-Terra identificata con la tecnica della spettroscopia

Gli studi effettuati sul nostro Sistema Solare non ci permettono di arrivare a conclusioni certe in merito alle caratteristiche che esso può avere in comune, o meno, con gli altri sistemi planetari. Tuttavia, da quando la NASA nel 2009 ha messo in orbita il satellite Kepler, le cose stanno cambiando e oggi abbiamo una lista di oltre 4.000 esopianeti nella lista dei candidati. Si tratta di una prima indagine che ha lo scopo di rispondere ad una serie di domande aperte come, ad esempio, la seguente: sono più comuni i pianeti giganti e gassosi come Giove o Saturno oppure sono più rari i pianeti tipo terrestre?

In realtà, i risultati ottenuti da Kepler suggeriscono che i pianeti più piccoli siano di gran lunga molto più comuni di quelli più grandi. È interessante notare che tra i pianeti più piccoli, quelli che sono maggiormente identificati hanno dimensioni più grandi della Terra e più piccole di Nettuno: si chiamano super-Terre. Tuttavia, pur essendo comuni nel nostro “vicinato galattico”, non abbiamo esempi di super-Terre nel Sistema Solare. Attualmente, le osservazioni ci permettono di ricavare delle informazioni sulle dimensioni e le orbite di questi mondi alieni, perciò conosciamo poco sulla loro composizione chimica. Gli astronomi ritengono che una super-Terra possa essere considerata come una versione più grande della Terra, prevalentemente rocciosa e con un’atmosfera; ma forse, potrebbe essere un mini-Nettuno, costituito da un grande nucleo di roccia e ghiaccio contenuto all’interno di uno spesso involucro di idrogeno ed elio; oppure ancora, potrebbe essere un mondo in cui sono presenti oceani sulla superficie con un’atmosfera composta di vapore acqueo. Dato che i pianeti di queste dimensioni acquisiscono gran parte della loro massa incorporando materiale solido, gli scienziati ritengono che quei mondi alieni dotati di acqua in superficie si siano formati inizialmente a grandi distanze dalla loro stella madre, cioè in quelle regioni dello spazio dove le temperature sono estremamente basse per far congelare l’acqua. Ma la maggior parte delle super-Terre che sono state identificate orbitano molto vicino alla loro stella. Dunque, se assumiamo che le super-Terre dominate dalla presenza di acqua superficiale siano comuni, allora dobbiamo ritenere necessariamente che questi corpi celesti non si siano formati nelle loro posizioni attuali, ma che invece siano migrati nelle regioni più interne del proprio sistema planetario spostandosi dalle orbite più distanti. Un altro aspetto di questa affascinante ricerca sui pianeti extrasolari riguarda lo studio della luce stellare che filtra attraverso l’atmosfera di un pianeta quando esso passa davanti alla sua stella ospite: lo scopo è quello di analizzare la composizione chimica dell’atmosfera planetaria attraverso la tecnica della spettroscopia. Infatti, sappiamo che alcune molecole presenti nell’atmosfera assorbono la luce a particolari lunghezze d’onda. Ad esempio, utilizzando il potere esplorativo dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer è stato possibile analizzare l’atmosfera di un esopianeta a diverse lunghezze d’onda in modo da determinare quali sostanze chimiche sono presenti. Ad oggi, quasi due dozzine di pianeti sono stati studiati con questa tecnica mostrando che i pianeti giganti gassosi, noti come “gioviani caldi“, possiedono di fatto atmosfere in cui sono presenti molecole d’acqua, di monossido di carbonio, di idrogeno, di elio e, presumibilmente, di anidride carbonica e metano. In questo momento, nell’ambito della ricerca sugli esopianeti, le super-Terre rappresentano un argomento di punta. Purtroppo, anche se sono state trovate centinaia di candidati, esistono solo pochi casi in cui gli oggetti sono abbastanza vicini a noi, senza dimenticare che orbitano attorno a stelle molto brillanti, per cui gli astronomi li hanno studiati in questo modo usando i telescopi attualmente disponibili.

La prima super-Terra osservata per studiare la sua atmosfera planetaria è stata GJ 1214b, che si trova a circa 40 anni-luce nella costellazione di Ofiuco (post). Sulla base della sua densità media, che è stata determinata dalla misure della massa e delle dimensioni, era chiaro fin dall’inizio che l’oggetto non fosse completamente roccioso. Tuttavia, la sua densità potrebbe essere equivalente a quella di un corpo celeste composto principalmente di acqua oppure a quella di un pianeta simile a Nettuno dove è presente un nucleo roccioso circondato da un involucro di gas denso. In generale, le informazioni derivate dall’analisi dell’atmosfera planetaria potrebbero aiutare gli astronomi a discriminare tra queste due ipotesi: l’atmosfera di un mini-Nettuno dovrebbe contenere una grande quantità di idrogeno molecolare, mentre l’atmosfera di un mondo alieno ricco d’acqua dovrebbe contenere sostanzialmente molecole d’acqua. Purtroppo, dopo una prima campagna di osservazioni condotte con il telescopio spaziale Hubble, i ricercatori del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics non furono in grado di risolvere lo spettro della composizione chimica dell’atmosfera in quanto privo di righe di assorbimento. Ma dopo che una seconda serie di osservazioni, più sensibili, condotte dai ricercatori dell’Università di Chicago diedero lo stesso risultato, divenne chiaro che una spessa coltre di nubi doveva mascherare le righe di assorbimento dello spettro, una scoperta decisamente sorprendente.

Dimensioni a confronto tra la Terra e il Sole (a sinistra) e tra la stella HD 97658 e la super-Terra HD 97658b (a destra). Credit: Diana Dragomir e Jason Eastman, UC Santa Barbara.

Oggi, il gruppo di ricercatori guidati da Heather Knutson, professoressa di scienze planetarie al Caltech, hanno studiato un’altra super-Terra, denominata con la sigla 97658b HD, che si trova a circa 69 anni-luce nella costellazione del Leone. Gli scienziati hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble per misurare la curva di luce quando il pianeta transita davanti alla stella, in un particolare intervallo di lunghezze d’onda nell’infrarosso, al fine di misurare minime variazioni causate dalla presenza di vapore acqueo nell’atmosfera del pianeta. Tuttavia, ancora una volta i dati hanno prodotto uno spettro senza righe di assorbimento. Una possibile spiegazione è che il pianeta sia avvolto da nuvole ma, secondo Knutson, è anche possibile che il pianeta possieda un’atmosfera priva di idrogeno. Gli astronomi dichiarano comunque che i dati non sono sufficientemente precisi per dire se si tratti di nuvole o di assenza di idrogeno e sperano, comunque, che le prossime osservazioni, che saranno realizzate sempre con Hubble, potranno fornire dati più dettagliati per risolvere il dilemma. Pare che le nuvole rappresentino una vera e propria sfida per lo studio delle super-Terre, perciò i ricercatori stanno ora lavorando per capire quali sono le condizioni che portano alla formazione di queste strutture atmosferiche che avvolgono questi pianeti. La speranza è che si possa arrivare al punto in cui sia possibile prevedere la presenza di nubi in modo che il tempo di utilizzo del telescopio Hubble possa essere gestito al meglio. Insomma, guardando al futuro le nuove osservazioni, che saranno realizzate con la missione K2 di Kepler e con il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), il cui lancio è previsto nel 2017, dovrebbero permettere l’identificazione di un ampia lista di nuovi candidati. Certo, agli astronomi piacerebbe studiare quei pianeti extrasolari che hanno le caratteristiche simili a quelle della Terra, ma questi oggetti sono troppo piccoli e difficili da osservare con Hubble e Spitzer. Quindi, la speranza è che il vero successore di Hubble, cioè il telescopio spaziale James Webb Space Telescope (JWST) che sarà messo in orbita nel 2018, fornisca la prima grande opportunità di osservare molti più corpi celesti simili al nostro pianeta.

Caltech: Getting To Know Super-Earths
arXiv: Hubble Space Telescope Near-IR Transmission Spectroscopy of the Super-Earth HD 97658b