I ricercatori del progetto GAPS (Global Architecture of Planetary Systems) dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, utilizzando dati ottenuti con lo spettrografo HARPS-N al Telescopio Nazionale Galileo sull’isola di La Palma (Canarie), hanno scoperto un nuovo effetto che l’atmosfera di un esopianeta molto caldo può indurre sulla misura della velocità radiale della stella madre durante il transito planetario. Tale effetto, individuato durante le osservazioni del transito dell’esopianeta denominato KELT-9b, il più caldo gigante gassoso oggi noto, potrà permettere di rivelare in modo diretto la presenza di elementi pesanti come il ferro nelle atmosfere di altri pianeti extrasolari estremamente caldi, ovvero con temperature superiori ai 2500 gradi Celsius.
I ricercatori del team GAPS hanno già studiato con il metodo del transito diversi sistemi di esopianeti, riuscendo in particolare a misurare le obliquità orbitali, ovvero l’angolo formato dall’equatore di una stella con il piano dell’orbita del suo pianeta. E questo grazie alla capacità di registrare con grande accuratezza l’anomalia prodotta dal passaggio del pianeta davanti al disco stellare (transito) sulle velocità radiali. Tali misure sono fondamentali per capire l’evoluzione degli esopianeti e, in particolare, la loro migrazione verso la stella madre da luoghi di formazione molto più lontani. Studiando approfonditamente l’esopianeta KELT-9b, che possiede una temperatura superficiale di circa 4000 gradi Celsius, il team si è tuttavia accorto che qualcosa non tornava. “Abbiamo subito notato che le velocità radiali osservate della stella madre non corrispondevano a quanto atteso, cioè a quanto ci si aspettava a partire dall’angolo di obliquità orbitale già noto per questo sistema” spiega Francesco Borsa, dell’INAF di Milano, primo autore dell’articolo in pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics che descrive la scoperta. “All’inizio pensavamo che potesse essere colpa della difficoltà di estrarre il valore di velocità radiale dagli spettri per via della elevatissima velocità con cui la stella KELT-9 ruota su sé stessa, che lungo la nostra linea di vista è di circa 110 km al secondo, ovvero quasi 400 mila chilometri l’ora. Abbiamo quindi ricalcolato i parametri stellari e utilizzato una tecnica ottimizzata per stelle rotanti molto velocemente per estrarre le velocità radiali dai nostri spettri, e ci siamo accorti che non sbagliavamo: c’era qualcosa di particolare per cui le osservazioni non andavano d’accordo con la teoria.”
Utilizzando la tecnica della tomografia, possibile grazie ai dati ad alta risoluzione prodotti dallo spettrografo HARPS-N, i ricercatori si sono presto accorti che la causa era connessa al pianeta, ed è riconducibile alla presenza di atomi di ferro, sia neutri che ionizzati, nella sua atmosfera.
“Sapevamo già della presenza di ferro nell’atmosfera bollente di Kelt-9b, che è più simile a quella di una stella che di un pianeta” aggiunge Borsa. “Non appena abbiamo visto la tomografia degli spettri è stato chiaro che la ‘colpa’ delle velocità radiali discordanti con la teoria fosse proprio da attribuire all’atmosfera calda del pianeta. Lo spettro dell’atmosfera planetaria durante il transito si ‘sovrappone’ a quello stellare andando a modificare il profilo di riga medio della stella, che è calcolato utilizzando principalmente le righe di assorbimento del ferro”.
Modellando i risultati, è stato possibile per la prima volta stimare che il ferro è presente in una consistente parte dell’atmosfera del pianeta, che ha uno spessore pari a circa il 22% del raggio planetario. Un volume molto ampio quindi, tenendo conto che elementi pesanti come il ferro tendono a scendere nelle zone più profonde dell’atmosfera, risentendo maggiormente della forza di gravità. E’ la prima volta che questo fenomeno, ribattezzato dai ricercatori effetto Rossiter-McLaughlin atmosferico (in analogia al noto effetto Rossiter-McLaughlin usato per la stima delle obliquità orbitali) viene osservato, e ci si aspetta possa manifestarsi per altri esopianeti molto caldi, i cosiddetti ultra-hot Jupiter, che presentano temperature oltre i 2500 gradi Celsius. “L’avere scoperto questo effetto ci permetterà di sapere direttamente al telescopio, mentre stiamo guardando il transito dell’esopianeta, se nella sua atmosfera è presente del ferro”.
“Il risultato ottenuto, in un certo senso inaspettato, mette in luce quanto lo strumento HARPS-N sia alla frontiera dello studio dei pianeti extrasolari” commenta Giusi Micela dell’INAF di Palermo, responsabile scientifico del progetto. “Altrettanto importante è avere sviluppato una comunità di ricercatori italiani capaci di sfruttare al meglio e interpretare anche in modo innovativo le osservazioni. Ci aspettiamo grandi risultati dal Large Program GAPS2 attualmente in corso al TNG e che utilizza sia gli strumenti HARPS-N che GIANO, grazie ai quali nei prossimi anni otterremo sicuramente scoperte molto interessanti”.
Lo studio è in corso di pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics nell’articolo The GAPS Programme with HARPS-N at TNG XIX. Atmospheric Rossiter-McLaughlin effect and improved parameters of KELT-9b di F. Borsa, M. Rainer, A. S. Bonomo, D. Barbato, L. Fossati, L. Malavolta, V. Nascimbeni, A. F. Lanza, M. Esposito, L. Affer, G. Andreuzzi, S. Benatti, K. Biazzo, A. Bignamini, M. Brogi, I. Carleo, R. Claudi, R. Cosentino, E. Covino, M. Damasso, S. Desidera, A. Garrido Rubio, P. Giacobbe, E. González-Álvarez, A. Harutyunyan, C. Knapic, G. Leto, R. Ligi, A. Maggio, J. Maldonado, L. Mancini, A. F. M. Fiorenzano, S. Masiero, G. Micela, E. Molinari, I. Pagano, M. Pedani, G. Piotto, L. Pino, E. Poretti, G. Scandariato, R. Smareglia, A. Sozzetti
