Due pianeti gemelli
Come nel film La strana coppia, anche nel sistema Toi-791 convivono due “partner” molto particolari: due pianeti giganti, in orbitano attorno alla stessa stella, con una densità così ridotta da risultare tra i più leggeri mai osservati, al punto da sfiorare la consistenza dello zucchero filato. La scoperta, pubblicata oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, aggiunge un nuovo tassello alla comprensione di una fra le classi di esopianeti più enigmatiche conosciute: i cosiddetti pianeti super-puff. Lo studio è stato condotto dall’Università di Oxford, dall’Université Côte d’Azur/Observatoire de la Côte d’Azur e dall’Università di Birmingham, nell’ambito di una collaborazione internazionale che ha combinato dati raccolti nello spazio e con quelli catturati da osservatori distribuiti in diversi continenti, compresa l’Antartide.
Questa rappresentazione artistica raffigura la stella Toi-791, simile al Sole, e due pianeti giganti che il telescopio spaziale Tess della Nasa ha scoperto in orbita attorno a essa. Questi pianeti, denominati Toi-791 b e Toi-791 c, hanno all’incirca le dimensioni di Giove ma una massa pari a una minuscola frazione – rispettivamente, meno del tre e meno del sei per cento – di quella di Giove, il che significa che hanno una densità straordinariamente bassa. Crediti: Nasa / D. Rutter
I protagonisti della scoperta sono due giganti quasi impalpabili, Toi-791 b e Toi-791 c, due pianeti che orbitano attorno a una stella nana di tipo F7 situata a 1110 anni luce dalla Terra, nella costellazione australe del Pesce volante. A prima vista sembrano normali giganti gassosi, con dimensioni paragonabili a quelle di Giove. È la loro bassissima densità a renderli bizzarri: quella di Toi-791 b è di appena 0,038 grammi per centimetro cubo, mentre Toi-791 c raggiunge 0,047 grammi per centimetro cubo. Per comprendere quanto siano estremi questi valori può essere utile qualche confronto. Giove, il gigante del Sistema solare, ha una densità media di circa 1,33 grammi per centimetro cubo – dunque tra 28 e 35 volte superiore a quella dei due nuovi pianeti, mentre la Terra arriva a circa 5,5 grammi per centimetro cubo. Per trovare valori paragonabili a quelli dei due esopianeti possiamo pensare allo zucchero filato, che ha una densità tipica di circa 0,05 grammi per centimetro cubo.
«Si conoscono solo una manciata di questi pianeti “super-gonfi”, ed è ancora più raro trovarne due nello stesso sistema», osserva George Dransfield dell’Università di Oxford, prima autrice dello studio nonché conduttrice del programma della Bbc Sky at Night. «Le loro densità estremamente basse li rendono obiettivi affascinanti per comprendere come si formano ed evolvono i sistemi planetari».
Toi-791 b e Toi-791 c non sono soltanto due nuovi membri della rara famiglia dei super-puff: rientrando tra i pianeti giganti meno densi mai identificati ed essendosi formati, si ritiene, all’interno dello stesso disco protoplanetario di gas e polveri che circonda la giovane stella, si collocano ai limiti estremi di ciò che i modelli teorici riescono a spiegare.
Le dimensioni dei due pianeti giganti che orbitano attorno alla stella Toi791 a confronto con quelle di alcuni dei pianeti del Sistema solare. Non ne esistono immagini dirette: la missione Tess della Nasa ne ha rilevato la presenza misurando la variazione di luce mentre transitavano davanti alla loro stella. Pertanto, l’aspetto dei pianeti di Toi-791 in questa illustrazione è una rappresentazione artistica. Crediti: Nasa/ D. Rutter
A rendere ancora più interessante il sistema è la particolare relazione gravitazionale che lega i due pianeti. Toi-791 b e Toi-791 c si trovano infatti in una risonanza di moto medio 5:3. Detto alrtimenti, ogni volta che il pianeta più interno completa cinque orbite attorno alla stella, quello esterno ne compie tre. Questa configurazione crea una sorta di danza cosmica perfettamente sincronizzata: a intervalli regolari i due pianeti si trovano nelle stesse posizioni relative e la loro attrazione gravitazionale reciproca si ripete con regolarità, lasciando una “firma” osservabile. Gli effetti di questa interazione si manifestano nei cosiddetti tempi di transito. Quando un pianeta passa davanti alla propria stella, visto dalla Terra, provoca una lieve diminuzione della luminosità stellare. Se i pianeti fossero gravitazionalmente isolati, questi passaggi avverrebbero con una periodicità rigorosa; nel sistema Toi-791, invece, i transiti mostrano piccoli anticipi e ritardi causati dall’influenza gravitazionale reciproca. Proprio l’analisi di queste minuscole variazioni temporali ha permesso agli astronomi di stimarne le masse e, quindi, di determinarne la densità.
La rarità del sistema Toi-791 lo rende un laboratorio naturale prezioso per capire come questi mondi si formano ed evolvono. Ma anche la storia di come sono stati scoperti è interessante. Tutto inizia grazie alla collaborazione tra professionisti e astrofili: Toi-791 b e Toi-791 c furono, infatti, individuati inizialmente come candidati esopianeti rispettivamente nel 2019 e nel 2023 dai volontari del progetto di citizen science Planet Hunters Tess. L’iniziativa analizza i dati raccolti dal satellite Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess) della Nasa, incaricato di monitorare la luminosità di milioni di stelle alla ricerca delle caratteristiche diminuzioni di luce prodotte dal passaggio di pianeti in transito. Anche gli astrofili italiani Franco Mallia, Giovanni Isopi e Aldo Zapparata dell’Osservatorio di Campo Catino hanno partecipato alle osservazioni e all’analisi dei dati nell’ambito della rete internazionale di follow-up. Una volta identificati i candidati, i ricercatori hanno infatti avviato una lunga campagna osservativa utilizzando telescopi distribuiti in tutto il mondo per confermarne l’esistenza e caratterizzarne le proprietà fisiche.
La scoperta è il risultato di circa otto anni di osservazioni e deve molto a uno dei luoghi più remoti del pianeta: la Stazione Concordia, nel cuore dell’Antartide. In questa base di ricerca italo-francese opera Astep (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets), un telescopio gestito dai ricercatori dell’Université Côte d’Azur/Observatoire de la Côte d’Azur insieme a collaboratori internazionali. L’ambiente antartico offre un vantaggio quasi unico: poiché durante il lungo inverno polare il Sole non sorge per mesi, è possibile compiere osservazioni astronomiche continue e senza interruzioni. Questa caratteristica si è rivelata fondamentale, perché i transiti dei due pianeti sono insolitamente lunghi e ciascuno dura oltre undici ore. Ciò comporta che nella maggior parte degli osservatori terrestri, a causa dell’alternanza tra giorno e notte, sarebbe impossibile seguirli dall’inizio alla fine, mentre da Concordia gli astronomi hanno potuto osservare l’intero transito in un’unica sequenza continua. Si tratta dei transiti planetari continui più lunghi mai osservati integralmente da terra.
Nonostante il numero crescente di osservazioni, la natura dei pianeti super-puff rimane un mistero. L’ipotesi principale suggerisce che questi mondi possiedano atmosfere dominate da idrogeno ed elio, talmente estese da costituire una frazione significativa della loro massa complessiva. Come giganteschi palloncini cosmici, questi pianeti potrebbero avere nuclei relativamente modesti avvolti da involucri gassosi estremamente espansi. Secondo i modelli più accreditati, tali atmosfere potrebbero essersi formate quando i pianeti si trovavano molto più lontani dalla stella rispetto a oggi, nelle regioni fredde del disco protoplanetario: in quelle zone il gas avrebbe potuto raffreddarsi e accumularsi rapidamente attorno a un nucleo solido, creando involucri eccezionalmente spessi.
La vera sfida per gli astronomi non è soltanto spiegare come questi pianeti si siano gonfiati a tal punto, ma capire perché non si siano già sgonfiati. Atmosfere così estese dovrebbero essere particolarmente vulnerabili all’erosione provocata dalla radiazione stellare e, invece, questi pianeti sono riusciti a conservare atmosfere così puffy per miliardi di anni, senza perderle nello spazio. La loro stessa esistenza suggerisce che nei processi di formazione ed evoluzione planetaria manchi ancora qualche tassello importante. Per rispondere a queste domande aperte, gli astronomi guardano già al James Webb Space Telescope (Jwst).
«Questo sistema offre un laboratorio unico per comprendere come si formano ed evolvono i pianeti super-puff», afferma Amaury Triaud dell’Università di Birmingham, responsabile scientifico del progetto Astep e coautore dello studio. «Proponiamo di effettuare osservazioni spaziali utilizzando il telescopio spaziale James Webb per valutare se l’atmosfera gonfia contenga specie a base di carbonio, azoto e ossigeno, fornendo nuove informazioni su come si sono formati questi pianeti insoliti». Durante un transito, infatti, una certa quantità di luce stellare attraversa gli strati gassosi dei pianeti, consentendo agli astronomi di cercare le impronte chimiche delle molecole presenti nelle loro atmosfere. L’analisi della composizione chimica potrebbe rivelare dove e in quali condizioni questi mondi si siano formati prima di raggiungere le attuali orbite. I super-puff sono tra i migliori bersagli per la spettroscopia atmosferica: essendo molto estese, le loro atmosfere intercettano una grande quantità luce stellare durante i transiti, rendendo questi pianeti bersagli ideali per Jwst.
Lo studio rappresenta anche un esempio di come l’astronomia moderna sia sempre più un’impresa collettiva, che unisce osservatori terrestri, telescopi spaziali e ricercatori distribuiti in tutto il mondo. «Questi sistemi multiplanetari sono complessi, con interazioni gravitazionali tra i pianeti che si evolvono nell’arco di periodi molto lunghi, decine di anni o più. Questa scoperta sottolinea l’importanza di una collaborazione internazionale continua nel campo dell’astronomia», sottolinea a tal proposito un altro fra i coautori dello studio, Tristan Guillot dell’Université Côte d’Azur. «Mettere insieme le osservazioni provenienti dall’Antartide, dai telescopi spaziali e dagli osservatori di diversi continenti è stato essenziale per rivelare la vera natura di questi straordinari pianeti»