Osservare i pianeti oltre il nostro Sistema Solare è impegnativo. Sia per la loro distanza rispetto agli strumenti con i quali possiamo studiarli, sia perché sono difficili da monitorare orbitando attorno a stelle molto più grandi e luminose. Per comprendere la variazione della loro atmosfera, ad esempio, è necessario combinare molti dati di alta qualità, acquisiti su un ampio periodo di tempo.

Di recente, proprio questo per la prima volta è stato fatto utilizzando dati d’archivio Hubble sull’esopianeta WASP-121 b, noto anche come Tylos. A partire dalle osservazioni Hubble raccolte nel 2016, 2018 e 2019, un team di scienziati ha potuto non solo analizzare l’atmosfera del pianeta, ma anche confrontare lo stato di questa atmosfera nel corso dei diversi anni, trovando prove evidenti della sua variazione.

Il team ha poi utilizzato sofisticate tecniche di modellazione per mostrare quali modelli metereologici sono in grado di spiegare queste variazioni temporali.

Osservando WASP-121 b con Hubble

WASP-121 b è un gioviano caldo molto ben studiato, che orbita attorno a una stella a 880 anni luce dalla Terra e completa un’orbita attorno a essa in 30 ore. Essendo così vicino alla sua stella, WASP-121b è bloccato dalle maree: un lato del pianeta è sempre rivolto verso la stella e molto caldo, con temperature che superano i 3000 gradi Kelvin (ovvero i 2700 gradi Celsius).

Il team ha combinato quattro serie di osservazioni d’archivio di WASP-121 b, tutte realizzate utilizzando la Wide Field Camera 3 (WFC 3) di Hubble. Il set di dati completo assemblato include osservazioni di:

• WASP-121 b in transito davanti alla sua stella, nel giugno 2016.
• WASP-121 b in transito dietro la sua stella (evento noto come eclissi secondaria), a novembre 2016.
• Due curve di luce registrate rispettivamente a marzo 2018 e febbraio 2019.

Il team ha deciso di elaborare ogni set di dati nello stesso modo, anche se alcuni di questi set erano già stati precedentemente elaborati durante studi passati. L’elaborazione similare per ciascun set ha consentito al team di confrontare direttamente tra loro i risultati da ciascuna serie di osservazioni. Uno dei membri del team, Quentin Changeat, ricercatore ESA presso lo Space Telescope Science Institute, ha spiegato:

Le informazioni che abbiamo estratto da quelle osservazioni sono state utilizzate per caratterizzare (dedurre la chimica, la temperatura e le nuvole) dell’atmosfera di WASP-121 b in momenti diversi. Questo ci ha fornito un’immagine squisita del pianeta, che cambia nel tempo.

Le variazioni evidenti di questa esoatmosfera

Dopo aver ripulito ciascun set elaborato, il team ha trovato prove evidenti che l’atmosfera di WASP-121 b variava nel tempo. Innanzitutto, i dati Hubble hanno mostrato un apparente spostamento nell’hot spot dell’esopianeta, il punto più caldo sulla sua superficie, non per forza sempre posizionato nel punto più vicino alla stella.

Inoltre, sono evidente le differenze nella firma spettrale, che indica la composizione chimica dell’atmosfera dell’esopianeta, suggerendo un’atmosfera in rapido cambiamento

I ricercatori hanno poi utilizzato modelli computazionali altamente sofisticati per tentare di comprendere il comportamento osservato dell’atmosfera dell’esopianeta. I modelli hanno indicato che i loro risultati potrebbero essere spiegati da modelli meteorologici quasi periodici, in particolare dalla presenza cicloni massicci che vengono ripetutamente creati e distrutti a causa dell’enorme differenza di temperatura tra il lato rivolto alla stella e quello oscuro dell’esopianeta. Questo risultato rappresenta un significativo passo avanti nell’osservazione potenziale dei modelli meteorologici sugli esopianeti.

Di seguito, un video che mostra le previsioni della temperatura di WASP-121 b per 130 giorni, tra alba, mezzogiorno, tramonto e mezzanotte. Le regioni gialle più luminose rappresentano aree sul lato diurno dell’esopianeta dove la temperatura è ben al di sopra 2000 gradi Kelvin a causa della sua vicinanza alla stella ospite (circa il 2.6% della distanza tra la Terra e il Sole).

A causa dell’estrema differenza di temperatura tra il lato diurno e quello notturno, gli astronomi sospettano che il ferro evaporato e altri metalli pesanti che fuggono negli strati più alti dell’atmosfera sul lato diurno ricadano parzialmente sugli strati inferiori, facendo piovere ferro sul lato notturno. Alcuni metalli pesanti sfuggono alla gravità del pianeta anche dall’atmosfera superiore. Credits: NASA, ESA, Q. Changeat et al., M. Zamani (ESA/Hubble)

Cosa implica questa scoperta?

L’alta risoluzione delle simulazioni dell’atmosfera degli esopianeti ha quindi consentito agli scienziati di modellare accuratamente le previsioni metereologiche su pianeti ultra caldi come WASP-121 b. Con quest’ultima ricerca è significativo il passo avanti nello studio delle esoatmosfere, a partire dalla combinazione tra vincoli sperimentali ottenuti dalle osservazioni e simulazioni atmosferiche per comprendere le variazioni meteorologiche nel tempo.

Ora che questo passo è stato fatto, future osservazioni con Hubble e con altri potenti, per esempio il James Webb, forniranno maggiori informazioni sui modelli meteorologici su esopianeti come WASP-121 b. E, in definitiva, forse permetteranno anche la scoperta di esopianeti con climi e modelli meteorologici stabili a lungo termine.

“Studiare il clima degli esopianeti è vitale per comprendere la complessità delle atmosfere degli esopianeti” ha affermato Changeat, “soprattutto nella nostra ricerca di esopianeti con condizioni abitabili”.

Lo studio, Is the atmosphere of the ultra-hot Jupiter WASP-121b variable?, è reperibile qui in versione pre-print.