Il telescopio spaziale James Webb (JWST) continua a stupire la comunità scientifica con le sue capacità osservative senza precedenti. Un recente studio pubblicato sull’Astronomical Journal ha sfruttato la potenza dello strumento NIRCam (Near-Infrared Camera) per ottenere immagini ad alto contrasto dei sistemi planetari HR 8799 e 51 Eri, svelando dettagli inediti sulla composizione atmosferica dei loro esopianeti giganti.
La sfida di osservare direttamente i pianeti al di fuori del nostro sistema solare è ardua a causa dell’enorme differenza di luminosità tra la stella madre e i suoi compagni planetari, unita alla loro vicinanza angolare. La tecnica dell’imaging diretto, che mira a catturare la debole luce riflessa o emessa direttamente da questi mondi, è particolarmente efficace per pianeti giovani e massivi che orbitano a distanze relativamente grandi dalla loro stella.
JWST, con il suo grande specchio e la sua posizione privilegiata nello spazio, lontano dalle interferenze dell’atmosfera terrestre, offre un’opportunità unica per superare queste limitazioni. In questo studio, un team di ricercatori guidato da William O. Balmer ha utilizzato uno speciale componente di NIRCam chiamato coronografo a barra lunga (LWB) nella sua configurazione “stretta” e con posizionamento offset. Questa tecnica innovativa permette di bloccare la luce abbagliante della stella centrale, rivelando la debole emissione dei pianeti circostanti anche a separazioni angolari molto piccole.
Il sistema di HR 8799: un laboratorio per la formazione planetaria
HR 8799 è un sistema stellare giovane, situato a circa 40 anni luce da noi, famoso per ospitare quattro pianeti giganti gassosi in orbita e un complesso sistema di dischi di detriti. Questo sistema rappresenta una vera e propria “versione in scala” del nostro Sistema Solare e offre importanti indizi sui processi di formazione ed evoluzione planetaria. Le osservazioni di JWST/NIRCam hanno permesso di ottenere la prima rilevazione in assoluto del pianeta più interno, HR 8799 e, alla lunghezza d’onda di 4.6 μm. Questa impresa è stata particolarmente difficile a causa della sua vicinanza alla stella, che rende la sua luce estremamente debole rispetto al bagliore stellare.
L’utilizzo di filtri specifici nella banda spettrale tra 3 e 5 μm ha consentito ai ricercatori di studiare le caratteristiche di assorbimento molecolare, in particolare quelle dovute a CO (monossido di carbonio), CH4 (metano) e CO2 (anidride carbonica), nelle atmosfere dei quattro pianeti. L’analisi dei colori dei pianeti in queste lunghezze d’onda ha rivelato una notevole diversità nella loro composizione atmosferica, suggerendo che potrebbero essersi formati in regioni diverse del disco protoplanetario con condizioni chimiche differenti. Un risultato particolarmente interessante è stata l’osservazione di un’assorbimento di CO2 più forte del previsto rispetto ai modelli teorici basati su una composizione simile a quella solare. Questo indica che le atmosfere dei pianeti HR 8799 sono arricchite di metalli, un elemento chiave per ricostruire la loro storia di formazione.
Inoltre, i pianeti mostrano una sequenza radiale nel colore associato all’assorbimento di CO, con il pianeta più interno (d) che appare più rosso e i pianeti più esterni (c e b) che diventano progressivamente più blu. Questa tendenza potrebbe riflettere variazioni nel rapporto carbonio-ossigeno nelle regioni del disco protoplanetario dove si sono formati i pianeti.
Il team ha confrontato le nuove osservazioni di JWST con i dati ottenuti in precedenza da telescopi terrestri e con modelli atmosferici. Sebbene ci sia un buon accordo generale, sono state riscontrate alcune discrepanze, in particolare nelle lunghezze d’onda del vicino infrarosso, che potrebbero essere dovute a problemi di calibrazione nelle osservazioni precedenti. Le nuove misurazioni di JWST, grazie alla loro precisione e stabilità, rappresentano un importante punto di riferimento per futuri studi atmosferici di questi affascinanti mondi.
51 Eri b: un giovane gigante con chimica inaspettata
Il secondo sistema planetario studiato è 51 Eri, una stella giovane distante circa 97 anni luce che ospita un pianeta gigante gassoso, 51 Eri b, scoperto nel 2015. Questo pianeta, con una massa simile a quella di Giove, orbita a una distanza paragonabile a quella di Saturno dal Sole e presenta forti segnali di metano nella sua atmosfera.
Le osservazioni di JWST/NIRCam hanno rilevato 51 Eri b alla lunghezza d’onda di 4.1 μm, ma non a lunghezze d’onda maggiori. Questo risultato, combinato con la temperatura stimata del pianeta, suggerisce una chimica del carbonio fuori equilibrio e un’elevata metallicità nella sua atmosfera. La mancanza di rilevamento alle lunghezze d’onda maggiori fornisce importanti limiti superiori che aiutano a vincolare i modelli atmosferici e la forza della miscelazione verticale nell’atmosfera del pianeta.
I ricercatori hanno utilizzato la nuova misurazione di JWST per aggiornare il modello orbitale di 51 Eri b, confermando una preferenza per orbite altamente eccentriche. Questa elevata eccentricità in un sistema così giovane suggerisce che potrebbero essersi verificati eventi dinamici nel passato del sistema, come interazioni gravitazionali con altri pianeti o il passaggio ravvicinato di un’altra stella. Inoltre, è stato condotto uno studio dettagliato dell’atmosfera di 51 Eri b confrontando i dati osservativi, inclusa la nuova fotometria di JWST, con griglie di modelli teorici. Il modello che meglio si adatta ai dati indica una temperatura effettiva più bassa rispetto ad alcune stime precedenti, ma concorda con altri studi che evidenziano la necessità di considerare la presenza di nubi e la chimica fuori equilibrio per spiegare le osservazioni. Come per i pianeti di HR 8799, anche per 51 Eri b è stata riscontrata un’elevata metallicità atmosferica.
Prospettive future
Questi risultati pionieristici dimostrano il potenziale straordinario di JWST per la caratterizzazione dettagliata delle atmosfere degli esopianeti giganti tramite imaging diretto. La capacità di operare a lunghezze d’onda infrarosse con un’altissima sensibilità e stabilità apre nuove finestre sulla composizione chimica, la struttura termica e i processi dinamici che plasmano questi mondi lontani.
Le osservazioni presentate in questo studio sono complementari a future campagne spettroscopiche ad alta risoluzione previste con JWST. La combinazione di dati fotometrici e spettroscopici permetterà di ottenere una comprensione ancora più approfondita delle atmosfere di questi pianeti, fornendo vincoli cruciali per i modelli di formazione ed evoluzione planetaria.
In conclusione, le nuove immagini ad alto contrasto ottenute con JWST/NIRCam dei sistemi HR 8799 e 51 Eri rappresentano un significativo passo avanti nella nostra capacità di studiare direttamente i pianeti al di fuori del nostro sistema solare. Le rivelazioni sulla composizione atmosferica di questi mondi, in particolare l’indicazione di elevate metallicità e la diversità chimica nel sistema HR 8799, offrono importanti indizi sui processi che portano alla nascita e all’evoluzione dei sistemi planetari. Il futuro dell’esplorazione esoplanetaria con JWST si preannuncia ricco di nuove, entusiasmanti scoperte.
Stefano Camilloni
