Si chiama WASP-107 b, orbita attorno alla sua stella a una distanza di poco più di 8 milioni di km in meno di 6 giorni, dista circa 200 anni luce dalla Terra ed è un esopianeta molto particolare: sia osservazioni passate di telescopi terrestri e spaziali, come l’Hubble, sia recenti dati del James Webb, hanno mostrato che WASP-107 b è un pianeta “gonfio”.

Infatti, con più di tre quarti il volume di Giove, ma meno di un decimo della massa, questo mondo è classificato come un Nettuno caldo ma è uno dei pianeti meno densi che conosciamo. In base al suo raggio, massa ed età, gli scienziati pensavano che WASP-107 b avesse un nucleo roccioso molto piccolo, circondato da un’enorme massa di idrogeno ed elio. Ma come può un nucleo così piccolo raccogliere così tanto gas, per poi fermarsi e non raggiungere un volume pari a quello di Giove?

I recenti dati raccolti dagli strumenti di Webb, combinati con le misurazioni precedenti, hanno ora fornito la risposta: c’è (sorprendentemente) poco metano nell’atmosfera di WASP-107 b. Questa caratteristica, unita alle altre abbondanze chimiche nella sua atmosfera, indica che l’interno del pianeta deve essere significativamente più caldo e il nucleo molto più massiccio di quanto stimato in precedenza.

La spettroscopia di trasmissione

WASP-107 b è un obiettivo perfetto per il James Webb. Il suo raggio, l’atmosfera estesa e le sue caratteristiche orbitali lo rendono ideale per la spettroscopia di trasmissione, un metodo utilizzato per identificare i vari gas nell’atmosfera di un esopianeta in base al modo in cui influenzano la luce stellare. Ovvero, per ottenere informazioni dirette sulla chimica del pianeta.

Combinando le osservazioni della NIRCam (Near InfraRed Camera) e del MIRI (Mid InfraRed Instrument) di Webb con quelle della WFC3 (Wide Field Camera 3) di Hubble, il team di ricerca che si è occupato dello studio è stato in grado di costruire un ampio spettro di luce da 0.8 a 12.2 micron assorbita dall’atmosfera di WASP-107 b. Utilizzando il NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph), invece, gli scienziati hanno costruito uno spettro indipendente che copre da 2.7 a 5.2 micron.

Confrontando la luminosità della luce filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta (luce trasmessa) con la luce stellare non filtrata, è possibile calcolare la quantità di ciascuna lunghezza d’onda che viene bloccata dall’atmosfera. Poiché ogni molecola assorbe una combinazione unica di lunghezze d’onda, lo spettro di trasmissione può essere utilizzato per stimare l’abbondanza di vari gas.

La precisione dei dati ha quindi consentito non solo di rilevare, ma anche di misurare effettivamente l’abbondanza di numerose molecole nell’atmosfera di WASP-107 b, tra cui vapore acqueo, metano, anidride carbonica, monossido di carbonio, biossido di zolfo e ammoniaca. Entrambi gli spettri mostrano una sorprendente mancanza di metano nell’atmosfera di questo mondo: un millesimo della quantità prevista, in base alla temperatura presunta.

Un cuore caldo

L’analisi spettroscopica di WASP-107 b ha permesso agli scienziati di imporre un vincolo sia sulla forza di miscelazione verticale, ovvero su quanto il gas caldo proveniente dalle profondità del pianeta si mescoli con gli strati freddi più in alto, sia sulla temperatura interna, maggiore di 345 Kelvin. Una temperatura molto più elevata di quanto gli scienziati pensassero in precedenza.

Una probabile fonte di energia interna extra per WASP-107 b, che è sì molto vicino alla sua stella ma non abbastanza perché sia la sua vicinanza a giustificarne la temperatura, è il riscaldamento mareale causato dalla sua orbita leggermente ellittica. La distanza tra la stella e il pianeta, infatti, cambia continuamente durante l’orbita di 5.7 giorni, perciò anche l’attrazione gravitazionale cambia, “tirando” il pianeta e riscaldandolo.

I ricercatori avevano precedentemente proposto che il riscaldamento delle maree potesse essere la causa del gonfiore di WASP-107 b, ma fino a quando non furono ottenuti i risultati di Webb, non c’erano delle prove a confermarlo.

E un nucleo massiccio

Una volta stabilito che il pianeta ha abbastanza calore interno da causare una forte agitazione e mescolamento dei gas nell’atmosfera, a partire dagli spettri i ricercatori hanno anche trovato un nuovo modo per stimare la dimensione del nucleo. Daniel Thorngren della Johns Hopkins University (JHU) ha spiegato:

Se sappiamo quanta energia c’è nel pianeta, e sappiamo quanta parte del pianeta è costituita da elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e zolfo, rispetto a quanta è idrogeno ed elio, possiamo calcolare quanta massa deve esserci nel nucleo.

Hanno così scoperto che il nucleo è almeno due volte più massiccio di quanto stimato precedentemente. Un risultato che in realtà è molto più giustificabile rispetto alle ipotesi precedenti. Infatti, suggerisce che pianeti come WASP-107 b non si formino in qualche strano modo a partire da un nucleo piccolissimo che attrae a sé un enorme involucro gassoso.

Si tratta invece di una formazione molto più simile a quella di Nettuno, con un nucleo solido sufficientemente grande da trattenere attorno a sé diversi strati gassosi, che si sono progressivamente contratti mentre il pianeta si raffreddava nel corso del tempo, fino a divenire come appare. I risultati potrebbero ugualmente spiegare il “rigonfiamento” di decine di esopianeti a bassa densità finora scoperti.

I due studi riguardanti WASP-107 b sono:

• A high internal heat flux and large core in a warm neptune exoplanet, Welbanks et al. 2024
• A warm Neptune’s methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing, Sing et al. 2024