Una delle classi di esopianeti più semplici da rilevare, e quindi maggiormente osservati, è quella dei gioviani caldi. Pianeti gassosi simili a Giove, si trovano molto vicini alla stella ospite, e per questo risultano caldi da diverse centinaia a qualche migliaio di gradi Celsius. Di recente, utilizzando il telescopio spaziale Hubble, una collaborazione internazionale di scienziati guidati da Thomas Mikal-Evans del Max Planck Institute for Astronomy ha studiato le proprietà atmosferiche del gioviano caldo WASP-121 b. L’esopianeta è stato scoperto nel 2015 nella costellazione di Puppis, a 855 anni luce dalla Terra. La sua massa è circa il 20% maggiore di quella di Giove, il diametro è quasi il doppio.

Nel corso delle osservazioni i ricercatori hanno effettuato la prima misurazione dettagliata delle condizioni atmosferiche notturne di questo gioviano caldo. Come tutti i gioviani caldi, la rotazione di WASP-121b è vincolata alla sua orbita attorno alla sua stella. Un’orbita di 30 ore richiede la stessa quantità di tempo necessaria al pianeta per ruotare una volta sul proprio asse. Di conseguenza, l’emisfero che punta verso la stella sarà molto caldo. L’altro lato si trova costantemente orientato verso lo spazio freddo e buio, ed è quindi sempre freddo.

Includendo misurazioni dall’emisfero diurno, gli scienziati hanno determinato come l’acqua cambia il suo stato fisico quando si muove tra gli emisferi dell’esopianeta WASP-121b. Mentre i metalli e i minerali presenti nell’aria evaporano nel caldo lato diurno, il lato notturno più fresco, presenta ricche zone di metalli e pioggia fatta di gemme liquide.

Gli emisferi di WASP-121b osservati durante due rivoluzioni complete

“Nonostante la scoperta di migliaia di esopianeti, siamo stati in grado di studiare solo le atmosfere di una piccola frazione di loro, a causa della natura impegnativa delle osservazioni” osserva Mikal-Evans. “Finora, la maggior parte di queste misurazioni ha fornito informazioni limitate. Come dettagli di base sulla composizione chimica o sulla temperatura media in specifiche sotto-regioni dell’atmosfera”.

I nuovi dati di Hubble hanno invece permesso ai ricercatori di acquisire la visione finora più dettagliata delle condizioni nell’emisfero notturno di un esopianeta. Unendo i dati degli emisferi diurno e notturno, l’analisi ha condotto alla prima visione elaborata di come l’atmosfera di un esopianeta funziona come un sistema globale.

Per farlo, il team ha raccolto con Hubble gli spettri elettromagnetici durante due rivoluzioni planetarie complete. Ovvero, nel corso di due intere orbite dell’esopianeta attorno alla sua stella. In questo modo è stato possibile sondare l’atmosfera superiore di WASP-121b attraverso l’intero pianeta.

Un ciclo dell’acqua esotico

Con i dati di Hubble, gli scienziati hanno ricostruito l’intero ciclo dell’acqua da uno stato fisico all’altro su WASP-121b. Esso sembra essere completamente diverso dal ciclo dell’acqua sulla Terra. In particolare:

• Nell’emisfero rivolto verso la stella l’atmosfera superiore raggiunge circa 3000 gradi.
• Nell’emisfero notturno la temperatura scende di circa 1500 gradi Celsius.

A temperature di 3000 gradi, molte molecole d’acqua si scompongono negli atomi che le costituiscono (idrogeno e ossigeno). L’estrema differenza di temperatura rispetto all’emisfero notturno genera forti venti, che trascinano da una parte all’altra le molecole d’acqua disgregate. Le temperature basse dell’emisfero notturno consentono invece agli atomi di idrogeno e ossigeno di ricombinarsi. Essi formano nubi di vapore acqueo che si innalzano e vengono spinte nell’emisfero diurno. E il ciclo si ripete.

Nubi metalliche e pioggia di gemme liquide

Le temperature non scendono mai abbastanza da permettere la formazione di nuvole d’acqua, per tutta la durata del ciclo. Invece dell’acqua, le nubi su WASP-121b sono costituite principalmente da metalli come ferro, magnesio, cromo e vanadio.

Osservazioni precedenti hanno rivelato negli spettri elettromagnetici le firme di questi metalli allo stato gassoso nell’emisfero diurno. I dati di Hubble indicano che le temperature scendono abbastanza da permettere ai metalli di condensarsi in nubi di vapore nell’emisfero notturno. Gli stessi venti che trasportano il vapore acqueo soffierebbero anche queste nubi metalliche verso il lato diurno dell’esopianeta. Qui esse evaporano di nuovo.

Alluminio e titanio non sono tra i gas rilevati nell’atmosfera di WASP-121b. Forse si sono condensati e sono piovuti negli strati più profondi dell’atmosfera, dove le osservazioni non arrivano. Una simile pioggia sarebbe diversa da qualsiasi altra conosciuta nel Sistema Solare. Ad esempio, l’alluminio si condensa con l’ossigeno per formare il corindone composto. Con impurità di cromo, ferro, titanio o vanadio, lo conosciamo come rubino o zaffiro. Gemme liquide potrebbero quindi piovere sull’emisfero notturno di WASP-121b.

Cosa ci dirà il Webb su WASP-121b e altri esopianeti

“È emozionante studiare pianeti come WASP-121b che sono molto diversi da quelli del nostro Sistema Solare” afferma la coautrice Joanna Barstow della Open University di Milton Keynes. Mikal-Evans aggiunge: “Ci permettono di vedere come si comportano le atmosfere in condizioni estreme.”

Per comprendere meglio le caratteristiche di WASP-121b, i ricercatori osserveranno l’esopianeta con il telescopio spaziale James Webb entro il primo anno di operatività. I dati includeranno osservazioni a lunghezze d’onda oltre il range consentito da Hubble. In questo modo, per esempio, consentiranno al team di determinare la quantità di carbonio nell’atmosfera. Il carbonio potrebbe contenere indizi su come e dove si è formato WASP-121 b nel disco protoplanetario. Le misurazioni saranno sufficientemente precise per conoscere anche la velocità del vento a diverse altitudini nell’atmosfera.

Lo studio su WASP-121b descritto nell’articolo, pubblicato su Nature Astronomy, è disponibile qui.

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