Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha osservato l’esopianeta WASP-80 b mentre passava davanti e dietro la sua stella madre, rivelando spettri indicativi di un’atmosfera contenente gas metano e vapore acqueo. Mentre il vapore acqueo è stato rilevato fino ad oggi in oltre una dozzina di pianeti, fino a poco tempo fa il metano – una molecola presente in abbondanza nelle atmosfere di Giove, Saturno, Urano e Nettuno all’interno del nostro Sistema Solare – era rimasto sfuggente nelle atmosfere degli esopianeti in transito quando studiati con la spettroscopia spaziale. Taylor Bell del Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), che lavora presso l’Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley in California, e Luis Welbanks dell’Arizona State University, ci raccontano di più sull’importanza della scoperta del metano nelle atmosfere degli esopianeti e discutono di come le osservazioni di Webb abbiano facilitato l’identificazione di questa molecola tanto ricercata. Questi risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature.
“Con una temperatura di circa 825 Kelvin, WASP-80 b è ciò che gli scienziati chiamano “Gioviano caldo”, ovvero pianeti simili per dimensioni e massa al pianeta Giove nel nostro Sistema Solare, ma con una temperatura si trova a metà tra quello dei Gioviani caldi, come HD 209458 b da 1450K (il primo esopianeta in transito scoperto), e i Gioviani freddi, come il nostro che è di circa 125K. WASP-80 b gira attorno alla sua stella nana rossa una volta ogni tre giorni e si trova a 163 anni luce da noi nella costellazione dell’Aquila. Poiché il pianeta è così vicino alla sua stella ed entrambi sono così lontani da noi, non possiamo vederlo direttamente nemmeno con i telescopi più avanzati come Webb. I ricercatori studiano, invece, la luce combinata della stella e del pianeta utilizzando il metodo del transito (che è stato utilizzato per scoprire la maggior parte degli esopianeti conosciuti) e il metodo dell’eclissi”, spiegano i due ricercatori.
“Usando il metodo del transito, abbiamo osservato il sistema quando il pianeta si è spostato davanti alla sua stella dalla nostra prospettiva, facendo affievolire leggermente la luce stellare che vediamo. È un po’ come quando qualcuno passa davanti a una lampada e la luce si attenua. Durante questo periodo, un sottile anello dell’atmosfera del pianeta attorno al confine giorno/notte del pianeta viene illuminato dalla stella, e a certi colori di luce in cui le molecole nell’atmosfera del pianeta assorbono la luce, l’atmosfera appare più spessa e blocca più luce stellare, provocando un’attenuazione più profonda rispetto ad altre lunghezze d’onda in cui l’atmosfera appare trasparente. Questo metodo aiuta gli scienziati come noi a capire di cosa è fatta l’atmosfera del pianeta vedendo quali colori della luce vengono bloccati”, continuano.
“Nel frattempo, utilizzando il metodo dell’eclissi, abbiamo osservato il sistema mentre il pianeta passava dietro la sua stella dalla nostra prospettiva, provocando un altro piccolo calo nella luce totale che ricevevamo. Tutti gli oggetti emettono una certa luce, chiamata radiazione termica, con l’intensità e il colore della luce emessa a seconda di quanto è caldo l’oggetto. Poco prima e dopo l’eclissi, il lato caldo del pianeta è puntato verso di noi e, misurando il calo di luce durante l’eclissi, siamo stati in grado di misurare la luce infrarossa emessa dal pianeta. Per gli spettri dell’eclissi, l’assorbimento da parte delle molecole nell’atmosfera del pianeta appare tipicamente come una riduzione della luce emessa dal pianeta a specifiche lunghezze d’onda. Inoltre, poiché il pianeta è molto più piccolo e più freddo della sua stella madre, la profondità di un’eclissi è molto inferiore a quella di un transito”, spiegano i due esperti.
“Le osservazioni iniziali che abbiamo fatto dovevano essere trasformate in qualcosa che chiamiamo spettro; si tratta essenzialmente di una misurazione che mostra quanta luce viene bloccata o emessa dall’atmosfera del pianeta a diversi colori (o lunghezze d’onda) della luce. Esistono molti strumenti diversi per trasformare le osservazioni grezze in spettri utili, quindi abbiamo utilizzato due approcci diversi per assicurarci che i nostri risultati fossero robusti rispetto a presupposti diversi. Successivamente, abbiamo interpretato questo spettro utilizzando due tipi di modelli per simulare come sarebbe l’atmosfera di un pianeta in condizioni così estreme. Il primo tipo di modello è completamente flessibile, provando milioni di combinazioni di abbondanze di metano e acqua e temperature per trovare la combinazione che meglio si adatta ai nostri dati. Il secondo tipo, chiamato “modelli autoconsistenti”, esplora anch’esso milioni di combinazioni ma utilizza le nostre attuali conoscenze di fisica e chimica per determinare i livelli di metano e acqua che potrebbero essere previsti. Entrambi i tipi di modelli sono giunti alla stessa conclusione: il rilevamento definitivo del metano”, affermano Belle e Welbanks.
“Per convalidare i nostri risultati, abbiamo utilizzato metodi statistici robusti per valutare la probabilità che il nostro rilevamento fosse un rumore casuale. Nel nostro campo, consideriamo il “gold standard” qualcosa chiamato “rilevamento 5-sigma”, il che significa che le probabilità che un rilevamento sia causato da rumore casuale sono 1 su 1,7 milioni. Nel frattempo, abbiamo rilevato metano a 6,1 sigma sia nello spettro di transito che in quello di eclissi, il che fissa le probabilità di un rilevamento spurio in ciascuna osservazione a 1 su 942 milioni, superando il “gold standard” di 5 sigma e rafforzando la nostra fiducia in entrambi i rilevamenti”, continuano i due esperti.
“Con un rilevamento così sicuro, non solo abbiamo trovato una molecola molto sfuggente, ma ora possiamo iniziare a esplorare ciò che questa composizione chimica ci dice sulla nascita, crescita ed evoluzione del pianeta. Ad esempio, misurando la quantità di metano e acqua nel pianeta, possiamo dedurre il rapporto tra atomi di carbonio e atomi di ossigeno. Si prevede che questo rapporto cambierà a seconda di dove e quando si formano i pianeti nel loro sistema. Pertanto, l’esame di questo rapporto carbonio-ossigeno può offrire indizi sul fatto che il pianeta si sia formato vicino alla sua stella o più lontano prima di spostarsi gradualmente verso l’interno”, affermano Bell e Welbanks.
“Un’altra cosa che ci entusiasma di questa scoperta è l’opportunità di confrontare finalmente i pianeti al di fuori del nostro Sistema Solare con quelli al suo interno. La NASA ha una storia di invio di veicoli spaziali ai giganti gassosi del nostro Sistema Solare per misurare la quantità di metano e altre molecole nelle loro atmosfere. Ora, misurando lo stesso gas in un esopianeta, possiamo iniziare a eseguire un confronto “alla pari” e vedere se le aspettative del Sistema Solare corrispondono a ciò che vediamo al di fuori di esso”, sostengono i due esperti.
“Infine, guardando alle future scoperte di Webb, questo risultato ci mostra che siamo sull’orlo di scoperte più entusiasmanti. Ulteriori osservazioni di WASP-80 b con gli strumenti MIRI e NIRCam di Webb ci permetteranno di sondare le proprietà dell’atmosfera a diverse lunghezze d’onda della luce. Le nostre scoperte ci portano a pensare che saremo in grado di osservare altre molecole ricche di carbonio come il monossido di carbonio e l’anidride carbonica, permettendoci di dipingere un quadro più completo delle condizioni dell’atmosfera di questo pianeta. Inoltre, man mano che troveremo metano e altri gas negli esopianeti, continueremo ad espandere la nostra conoscenza su come la chimica e la fisica funzionano in condizioni diverse da quelle che abbiamo sulla Terra, e forse presto, in altri pianeti che ci ricordano quello che abbiamo qui a casa. Una cosa è chiara: il viaggio di scoperta con il telescopio spaziale James Webb è ricco di potenziali sorprese”, concludono Bell e Welbanks.
