Un pianeta dagli strani colori
Gj 504 b è un mondo distante 57 anni luce dalla Terra che orbita attorno a una stella simile al Sole, Gliese 504. Se potessimo osservarlo direttamente con i nostri occhi, vedremmo un corpo celeste dall’insolita colorazione magenta, dovuta alle sue “gelide” temperature superficiali, una caratteristica che gli è valsa il soprannome di Pink Planet, Pianeta rosa.
Nonostante il soprannome, la sua vera natura rimane tuttavia incerta. Con una massa di oltre venti volte quella di Giove, Gj 504 b si colloca infatti al confine tra i pianeti giganti e le nane brune, tanto che gli astronomi preferiscono definirlo un planetary-mass companion, ovvero un “compagno di massa planetaria” in orbita attorno a una stella.
Per oltre un decennio questo enigmatico oggetto ha rappresentato una sfida per gli astronomi. La sua luminosità estremamente debole, conseguenza della bassa temperatura superficiale, ha impedito infatti ai telescopi terrestri di analizzarne la luce mediante spettroscopia, limitando gli studi a semplici misure fotometriche.
Utilizzando lo spettrografo NirSpec del James Webb Space Telescope, un team di ricerca guidato dalla Northwestern University è ora riuscito per la prima volta a ottenere lo spettro di luce diretto dell’oggetto celeste, rivelando un’atmosfera dalla chimica esotica, con nubi di sale mai osservate prima d’ora su un corpo celeste. I risultati dello studio sono stati pubblicati la scorsa settimana su The Astronomical Journal
Le osservazioni sono state condotte nell’ambito del programma Gto 2778, dedicato alla spettroscopia ad alto contrasto di due candidati substellari, tra cui, appunto, Gj 504 b. Nello studio, mediante spettroscopia, i ricercatori hanno prima catturato la radiazione termica emessa dall’oggetto e la luce stellare riflessa dalla sua atmosfera. Successivamente, grazie alla tecnica dell’angular differential imaging (Adi), hanno eliminato il bagliore prodotto dalla stella, molto più luminosa.
Questa combinazione di metodologie ha permesso di ottenere lo spettro di luce di Gj 504 b, un grafico in cui la luce del pianeta è scomposta nelle diverse lunghezze d’onda. Poiché ogni elemento e ogni molecola interagiscono con la radiazione in modo caratteristico, lo spettro conserva la loro firma chimica. La sua analisi permette dunque agli astronomi di identificare le specie presenti e ricostruire la composizione dell’atmosfera.
«Il Pianeta rosa è il compagno di massa planetaria più freddo mai scoperto con strumenti terrestri», spiega Aneesh Baburaj, ricercatore della Northwestern University e primo autore dello studio. «Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno effettuato osservazioni di follow-up per analizzarne la luce, ma il segnale era troppo debole per gli strumenti installati a Terra. Per questo rappresentava un bersaglio ideale per il Jwst. Quando abbiamo finalmente ottenuto il suo spettro, ci è sembrato subito molto interessante. Ma è stato solo analizzando i dati più in dettaglio che ci siamo resi conto di trovarci davanti a un oggetto diverso da qualsiasi altro avessimo studiato finora».
L’analisi dello spettro ha rivelato la presenza di numerose specie molecolari, tra cui vapore acqueo (H₂O), metano (CH₄), anidride carbonica (CO₂), ammoniaca (NH₃), idrogeno solforato (H₂S) e monossido di carbonio (CO). Ma la sorpresa è arrivata dopo.
Quando i ricercatori hanno cercato di riprodurre i dati mediante modelli atmosferici, si sono imbattuti in un problema: le simulazioni non riuscivano a spiegare lo spettro osservato senza introdurre caratteristiche fisicamente poco plausibili. La soluzione è arrivata aggiungendo come input un ingrediente finora solo ipotizzato: nubi di sale. Includendo nubi composte da cloruro di potassio e solfuro di zinco, è stato infatti possibile riprodurre correttamente lo spettro osservato, spiegano i ricercatori.
«Abbiamo eseguito simulazioni includendo le nubi e i risultati sono diventati coerenti con ciò che sappiamo dei pianeti freddi», aggiunge Baburaj. «Abbiamo testato tre diversi tipi di nubi e quelle di sale hanno fornito la migliore corrispondenza con i dati osservativi. Tenendo conto della loro presenza, il segnale delle molecole situate negli strati più profondi dell’atmosfera del compagno risultava attenuato, rendendo finalmente il modello fisicamente plausibile.
Ma non è finita. La modellizzazione dell’atmosfera, effettuata mediante il codice petitRadTrans sviluppato dal Max Planck Institute, indica infatti una gravità superficiale del corpo celeste di circa 741 metri al secondo quadrato, pari a circa 75,6 volte quella terrestre, e una temperatura compresa tra 283 e 291 gradi Celsius, dunque relativamente bassa, perlomeno rispetto ai pianeti extrasolari dei quali si siano ottenute immagini dirette.
Lo spettro suggerisce inoltre un’atmosfera particolarmente ricca di elementi pesanti – quelli che in astronomia vengono genericamente chiamati metalli – con rapporti isotopici di carbonio e ossigeno compatibili con quelli del mezzo interstellare.
I parametri atmosferici indicano anche che Gj 504 b ha una massa di circa 25 volte quella di Giove, in buon accordo con l’intervallo di 19-27 masse gioviane previsto dai modelli evolutivi e compatibile con un’età stimata tra i 2,5 e i 4 miliardi di anni. Proprio questa relativa maturità del corpo celeste spiegherebbe la sua temperatura insolitamente bassa.
Per quanto riguarda la natura di Gj 504 b, per stabilire se esso si sia formato come un pianeta oppure come una nana bruna i ricercatori hanno confrontato la sua composizione chimica con quella della stella madre Gliese 504. Dall’analisi è emerso che, a fronte di un’abbondanza di zolfo compatibile con quella della stella, l’atmosfera del pianeta presenta un arricchimento di carbonio pari a circa 2,5 volte e di ossigeno pari a circa 2,1 volte rispetto ai valori misurati nella stella primaria.
Questo arricchimento in elementi pesanti suggerisce una formazione di Gj 504 b simile a quella dei pianeti, sottolineano i ricercatori, ma non consente ancora di escludere del tutto che l’oggetto sia una nana bruna. Per risolvere questa ambiguità, concludono, saranno necessari studi futuri che determinino con maggiore precisione le abbondanze chimiche della stella oppure riducano le incertezze sui livelli di arricchimento, ad esempio grazie a misure dinamiche più accurate della sua massa.
