Tra le altre possibilità che offre alla scienza, il telescopio spaziale James Webb ci permette di esplorare gli spettri di esopianeti e nane brune, le stelle che non hanno mai iniziato a brillare, nella loro lunghezza d’onda tipica: l’infrarosso. Di recente, il Webb ha osservato una particolare nana bruna, parte del sistema binario VHS 1256, rivelando la presenza di acqua, metano, monossido di carbonio, anidride carbonica, sodio e potassio nella sua atmosfera, insieme a nubi di silicato.
Il team di ricercatori che si è occupato di analizzare questi dati ha potuto costruire lo spettro più definito mai ottenuto di un oggetto di massa planetaria. VHS 1256 b è una nana bruna giovane a 72 anni luce di distanza da noi, con dimensioni circa 19 volte quelle di Giove. È stata scoperta nel 2015 e di recente osservata con gli strumenti NIRSpec (Near InfraRed Spectrometer) e MIRI (Mid-InfraRed Instrument) di Webb, in una banda di lunghezze d’onda che va da 1 a 20 µm (micrometri). Essi hanno messo in evidenza nello spettro elettromagnetico la chimica delle nubi di silicato, una vera e propria rivelazione per un oggetto di questo tipo.
Lo spettro della nana bruna vista nell’infrarosso
Le nane brune iniziano la loro esistenza più o meno nello stesso modo delle altre stelle, ma non riescono ad accumulare abbastanza idrogeno per innescare una reazione di fusione nucleare. Per questo motivo, non raggiungono le dimensioni di una stella, anche se sono in grado di fondere il deuterio. Facendolo, emettono calore e luce, motivo per cui gli scienziati sono comunque in grado di vederle, generalmente studiandole nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso. Cosa per cui il James Webb è stato costruito.
Ricerche precedenti sulla nana bruna VHS 1256 b avevano dimostrato che la sua atmosfera ha una tonalità rossastra. Analizzando i nuovi dati di Webb, i ricercatori hanno scoperto che l’atmosfera era simile a quella della maggior parte delle altre nane brune, ma più chiara. Hanno trovato metano, sodio, acqua, potassio e anidride carbonica. Sono state trovate anche delle nubi, che si ritiene siano costituite da particelle di silicato e si siano formate in strati spessi. Suggeriscono che probabilmente sono costituite da qualche tipo di minerale, come l’enstatite, il quarzo o la forsterite.
Qui sotto vediamo lo spettro completo di VHS 1256 b, ottenuto utilizzando NIRSpec e MIRI. Le bande passanti sono evidenziate con colori diversi e le barre di errore sono visualizzate in grigio. È mostrato un singolo punto fotometrico per il canale 4A di MIRI MRS perché il segnale nei canali 4B e 4C di MIRI MRS è scarso o nullo.
Come interpretare i risultati di Webb?
La luce che proviene da un esopianeta contiene informazioni sulla composizione e le proprietà fisiche di base di quel particolare pianeta. Queste possono poi essere utilizzate per dedurre come esso si è formato ed evoluto. La stessa cosa vale per le nane brune, oggetti di massa planetaria a metà tra l’essere stelle o pianeti.
Le varie parti dello spettro elettromagnetico che si ottiene per una nana bruna come VHS 1256 b, o anche per un pianeta, contengono informazioni diverse. In questo caso particolare, per esempio, la parte dello spettro corrispondente alle lunghezze d’onda nel medio infrarosso (catturate da MIRI) mostra la presenza di silicati allo stato solido. Questi dati, insieme agli altri nel vicino infrarosso, possono essere utilizzati per misurare la composizione delle nubi. L’intera gamma di lunghezze d’onda vincola in qualche modo il profilo temperatura-pressione dell’atmosfera e gli effetti di arrossamento delle nubi in VHS 1256 b.
Prima del Webb, le immagini di nane brune ed esopianeti a più alta lunghezza d’onda disponibili erano a 5 µm, mentre le misure di eclissi di pianeti in transito occasionalmente si sono estese alla fotometria e alla spettroscopia fino a 24 µm. Il JWST invece può misurare le distribuzioni di energia spettrale con fotometria e spettroscopia a più lunghezze d’onda da 0,6 a 28,1 µm, un intervallo che contiene essenzialmente il 100% dell’energia emessa da un esopianeta dalla temperatura di 300 K e il 99,6% dell’energia emessa da un esopianeta di 1000 K.
Spettroscopia e fotometria di nane brune ed esopianeti con Webb
Il programma Early Release Science (ERS) del Webb utilizza diverse modalità, adatte allo studio di esopianeti, compagni di massa planetaria e dischi circumstellari in cui questi oggetti si formano. Da un punto di vista tecnico, il programma è stato concepito per valutare le prestazioni della NIRCam (Near InfraRed Camera) e dello strumento MIRI, ma anche del Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS).
Oltre a comprendere le prestazioni tecniche di JWST, il programma ERS mira anche a fornire un modello delle atmosfere degli esopianeti nell’intera gamma di lunghezze d’onda che il Webb riesce a coprire, e migliorare la nostra comprensione della fisica e chimica dell’atmosfera dei giganti gassosi. Nel regime ad alto contrasto, il JWST utilizza i coronografi di NIRCam e MIRI per sopprimere la luce della stella ospite di un esopianeta. Entrambe queste modalità sono di imaging. Solo le modalità spettroscopiche del WST non funzionano con la coronagrafia.
I ricercatori notano che le loro osservazioni confermano le teorie secondo cui le nane brune possono essere circondate da nubi polverose, che possono avere un impatto sulla loro luminosità. Concludono che il Webb rappresenta un grande passo avanti verso uno studio più dettagliato di oggetti come gli esopianeti e le nane brune.
Lo studio completo è reperibile qui.
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