Dicembre 9, 2021

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Gli scienziati misurano l’atmosfera di un pianeta in un altro sistema solare, a 340 anni luce di distanza

Concetto artistico di un esopianeta “Hot Jupiter”. Credito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

Un team internazionale di scienziati, utilizzando il telescopio Gemini Earth Observatory in Cile, è il primo a misurare direttamente la quantità di acqua e monossido di carbonio nell’atmosfera di un pianeta in un altro sistema solare a circa 340 anni luce di distanza.

Il team è guidato dal professore associato Michael Lane della School of Earth and Space Exploration dell’Arizona State University e i risultati sono stati pubblicati oggi (27 ottobre 2021) sulla rivista. temperamento natura.

Ci sono migliaia di pianeti conosciuti al di fuori del nostro sistema solare (chiamati esopianeti). Gli scienziati utilizzano telescopi sia spaziali che terrestri per esaminare come si formano questi esopianeti e come differiscono dai pianeti del nostro sistema solare.

In questo studio, Laine e il suo team si sono concentrati sul pianeta “WASP-77Ab”, un tipo di pianeta extrasolare chiamato “caldo” Giove“Perché sono come Giove nel nostro sistema solare, ma con una temperatura di oltre 2000 gradi F.

Si sono poi concentrati sulla misurazione della composizione della sua atmosfera per determinare quali elementi erano presenti, rispetto alla stella su cui orbita.

“Date le loro dimensioni e temperature, i Giove caldi sono eccellenti laboratori per misurare i gas atmosferici e testare le nostre teorie sulla formazione dei pianeti”, ha detto Lane.

Anche se non possiamo ancora inviare veicoli spaziali su pianeti al di fuori del nostro sistema solare, gli scienziati possono studiare la luce degli esopianeti usando i telescopi. I telescopi che usano per osservare questa luce possono essere nello spazio, come ad esempio Telescopio Spaziale Hubble, o dalla Terra, come i telescopi dell’Osservatorio Gemini.

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Lane e il suo team sono stati ampiamente coinvolti nella misurazione delle composizioni atmosferiche degli esopianeti utilizzando Hubble, ma ottenere queste misurazioni è stato difficile. Non solo c’è una forte competizione per il tempo del telescopio, gli strumenti Hubble misurano solo l’acqua (o l’ossigeno) e il team deve anche raccogliere le misurazioni del monossido di carbonio (o carbonio).

È qui che il team si è rivolto al Gemini South Telescope.

“Avevamo bisogno di provare qualcosa di diverso per rispondere alle nostre domande”, ha detto Lane. “E la nostra analisi delle capacità di South Gemini ha indicato che potremmo ottenere misurazioni molto accurate dell’atmosfera”.

Gemini South è un telescopio di 8,1 metri di diametro situato su una montagna delle Ande cilene chiamata Cerro Pachón, dove l’aria molto secca e la copertura nuvolosa trascurabile lo rendono una posizione privilegiata per il telescopio. È gestito da NOIRLab della National Science Foundation (National Optical and Infrared Astronomy Research Laboratory).

Utilizzando il Gemini South Telescope, con uno strumento chiamato IGRINS (Immersion Grating Infrared Spectrometer), il team ha osservato il bagliore termico dell’esopianeta mentre orbitava intorno alla sua stella ospite. Da questo dispositivo hanno raccolto informazioni sulla presenza e le relative quantità di vari gas nell’atmosfera.

Come i satelliti meteorologici e climatici utilizzati per misurare la quantità di vapore acqueo e anidride carbonica nell’atmosfera terrestre, gli scienziati possono utilizzare spettrometri e telescopi, come IGRINS su Gemini South, per misurare le quantità di vari gas su altri pianeti.

“Cercare di capire la composizione delle atmosfere dei pianeti è come cercare di risolvere un crimine con un’impronta digitale”, ha detto Lane. “Un’impronta digitale macchiata non restringe troppo il campo, ma un’impronta digitale molto pulita e ordinata fornisce un identificatore univoco per chi ha commesso il crimine”.

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Laddove il telescopio spaziale Hubble ha fornito al team una o due misteriose impronte digitali, IGRINS a Gemini South ha fornito al team un set completo di impronte digitali cristalline.

Utilizzando misurazioni esplicite sia dell’acqua che del monossido di carbonio nell’atmosfera di WASP-77Ab, il team è stato quindi in grado di stimare le quantità relative di ossigeno e carbonio nell’atmosfera dell’esopianeta.

Spostamento Doppler dell'atmosfera al di fuori del sistema solare

Misurando lo spostamento Doppler mostrato nella colonna di destra di questa figura, gli scienziati possono ricostruire la velocità orbitale del pianeta nel tempo verso o lontano dalla Terra. La potenza del segnale del pianeta, come mostrato nella colonna centrale, lungo la velocità apparente proiettata (curva del mare tratteggiata) del pianeta mentre orbita intorno alla stella, contiene informazioni sulle quantità di vari gas nell’atmosfera. Credito: P. Smith/M. Lines. Selkirk / ASU

“Questi importi erano in linea con le nostre aspettative e sono all’incirca uguali a quelli della star ospitante”, ha affermato Lane.

Ottenere un’abbondanza di gas ultrafini nelle atmosfere degli esopianeti non è solo un’importante impresa tecnica, specialmente con un telescopio terrestre, ma può anche aiutare gli scienziati a cercare la vita su altri pianeti.

“Questo lavoro rappresenta una dimostrazione di come misurare in definitiva i gas di biofirma come l’ossigeno e il metano in mondi potenzialmente abitabili in un futuro non troppo lontano”, ha detto Lane.

Ciò che Line e il team si aspettano di fare dopo è ripetere questa analisi per diversi pianeti e creare un “campione” di misurazioni atmosferiche su almeno altri 15 pianeti.

“Siamo ora al punto in cui possiamo ottenere frazioni di abbondanza di gas simili a quelle dei pianeti nel nostro sistema solare. La misurazione delle abbondanze di carbonio e ossigeno (e altri elementi) nell’atmosfera di un campione più ampio di esopianeti fornisce il tanto necessario contesto per comprendere le origini e l’evoluzione dei nostri giganti gassosi come Giove e SaturnoLinea ha detto.

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Non vedono l’ora di scoprire cosa potranno offrire i futuri telescopi.

“Se possiamo farlo con la tecnologia di oggi, pensa a cosa saremo in grado di fare con telescopi emergenti come il Giant Magellan Telescope”, ha detto Lane. “È una possibilità reale che entro la fine di questo decennio potremmo essere in grado di utilizzare lo stesso metodo per esplorare potenziali segnali di vita, che contiene anche carbonio e ossigeno, su pianeti rocciosi simili alla Terra al di fuori del nostro sistema solare”.

Riferimento: “Solar C/O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere” di Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert e Just B Wardner, 27 ottobre 2021, temperamento natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Oltre a Line, il team di ricerca comprende Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens e Peter Smith della School of Earth and Space Exploration dell’Arizona State University; Matthew Bruggi e Siddharth Gandhi da Università di Warwick (Regno Unito); Jacob Bean e Megan Mansfield da Università di Chicago; Vivien Parmentier e Joost Wardenier di Università di Oxford (Regno Unito); Gregory Mays dell’Università del Texas ad Austin. Eliza Kempton dell’Università del Maryland; Jonathan Fortney dell’Università della California, Santa Cruz; Emily Rausher dell’Università del Michigan; e Jean-Michel Desert dell’Università di Amsterdam.