Il campo di studio degli esopianeti è relativamente nuovo e si avvale principalmente dei dati raccolti da telescopi spaziali come il Telescopio Spaziale Hubble e il Telescopio Spaziale Webb. Quando si parla di pianeti “simili alla Terra” o in grado di sostenere la vita umana, si fa riferimento proprio a questi esopianeti situati nella nostra galassia, la Via Lattea.
Jonathan Brande, dottorando presso l’ExoLab dell’Università del Kansas, ha recentemente pubblicato uno studio sulla rivista scientifica The Astrophysical Journal Letters, in cui presenta nuovi dettagli sull’atmosfera di 15 esopianeti simili a Nettuno. Sebbene nessuno di questi pianeti possa sostenere la vita umana, una migliore comprensione del loro comportamento potrebbe aiutarci a capire perché nel nostro sistema solare non esiste un piccolo Nettuno, mentre la maggior parte degli altri sistemi ne possiede uno.
Negli ultimi anni, Brande si è concentrato sullo studio delle atmosfere degli esopianeti attraverso una tecnica nota come spettroscopia di trasmissione. Quando un pianeta transita, ovvero si muove tra la nostra linea di vista e la stella che orbita, la luce della stella passa attraverso l’atmosfera del pianeta, venendo assorbita dai vari gas presenti. Catturando lo spettro della stella e passando la luce attraverso uno spettrografo, si osserva un arcobaleno, misurando la luminosità dei diversi colori costituenti. Le variazioni di luminosità o oscurità nello spettro rivelano i gas che assorbono la luce nell’atmosfera del pianeta.
Con questa metodologia, Brande ha pubblicato anni fa uno studio sull’esopianeta “Nettuno caldo” TOI-674 b, dove ha presentato osservazioni che indicavano la presenza di vapore acqueo nella sua atmosfera. Queste osservazioni facevano parte di un programma più ampio guidato dal suo consulente, Ian Crossfield, professore associato di fisica e astronomia all’Università del Kansas, per osservare le atmosfere degli esopianeti delle dimensioni di Nettuno.
L’obiettivo è comprendere il comportamento di questi pianeti, dato che quelli leggermente più grandi della Terra e più piccoli di Nettuno sono i più comuni nella galassia. Il recente articolo su ApJL riassume le osservazioni di questo programma, incorporando dati da osservazioni aggiuntive per affrontare il motivo per cui alcuni pianeti appaiono nuvolosi mentre altri sono chiari.
Brande e i suoi coautori hanno preso nota speciale delle regioni in cui gli esopianeti tendono a formare nubi o foschie in alta atmosfera. Quando tali aerosol atmosferici sono presenti, le foschie possono bloccare la luce che filtra attraverso l’atmosfera. Se un pianeta ha una nuvola proprio sopra la superficie con centinaia di chilometri di aria limpida sopra di essa, la luce delle stelle può passare facilmente attraverso l’aria limpida e essere assorbita solo dai gas specifici in quella parte dell’atmosfera. Tuttavia, se la nuvola è posizionata molto in alto, le nubi sono generalmente opache in tutto lo spettro elettromagnetico. Mentre le foschie hanno caratteristiche spettrali, per il lavoro di Brande, dove si concentra su una gamma relativamente ristretta con Hubble, producono anche spettri per lo più piatti.
Secondo Brande, quando questi aerosol sono presenti in alta atmosfera, non c’è un percorso chiaro per la luce da filtrare. Con Hubble, il gas singolo a cui si è più sensibili è il vapore acqueo. Se si osserva vapore acqueo nell’atmosfera di un pianeta, ciò indica che non ci sono nubi abbastanza alte da bloccarne l’assorbimento. Al contrario, se il vapore acqueo non viene osservato e si vede solo uno spettro piatto, nonostante si sappia che il pianeta dovrebbe avere un’atmosfera estesa, ciò suggerisce la probabile presenza di nubi o foschie ad altitudini superiori.
Brande ha guidato il lavoro di un team internazionale di astronomi sull’articolo, incluso Crossfield all’Università del Kansas e collaboratori dall’Istituto Max Planck di Heidelberg, Germania, un gruppo guidato da Laura Kreidberg, e ricercatori dell’Università del Texas, Austin, guidati da Caroline Morley.
Brande e i suoi coautori hanno affrontato la loro analisi in modo diverso rispetto agli sforzi precedenti, concentrandosi sulla determinazione dei parametri fisici delle atmosfere dei piccoli Nettuno. Invece, le analisi precedenti spesso coinvolgevano l’adattamento di un singolo spettro modello alle osservazioni.
Tipicamente, i ricercatori prenderebbero un modello atmosferico con contenuto d’acqua pre-calcolato, lo ridimensionerebbero e lo sposterebbero per adattarlo ai pianeti osservati nel loro campione. Questo approccio indica se lo spettro è chiaro o nuvoloso, ma non fornisce informazioni sulla quantità di vapore acqueo o sulla posizione delle nubi nell’atmosfera.
Invece, Brande ha impiegato una tecnica nota come “recupero atmosferico”. Questo ha comportato la modellazione dell’atmosfera attraverso vari parametri planetari come la quantità di vapore acqueo e la posizione delle nubi, iterando attraverso centinaia e migliaia di simulazioni per trovare la configurazione migliore. I loro recuperi hanno fornito uno spettro modello migliore per ogni pianeta, da cui hanno calcolato quanto il pianeta apparisse nuvoloso o chiaro. Quindi, hanno confrontato quelle misurate chiarezze con un insieme separato di modelli di Caroline Morley, che ha permesso loro di vedere che i loro risultati sono in linea con le aspettative per pianeti simili. Nel esaminare il comportamento di nubi e foschie, i loro modelli indicavano che le nubi erano un adattamento migliore delle foschie. Il parametro di efficienza della sedimentazione, che riflette la compattezza delle nubi, suggeriva che i pianeti osservati avevano efficienze di sedimentazione relativamente basse, risultando in nubi soffici. Queste nubi, composte da particelle come goccioline d’acqua, rimanevano sospese nell’atmosfera a causa della loro bassa tendenza a depositarsi.
I risultati di Brande forniscono intuizioni sul comportamento di queste atmosfere planetarie e hanno suscitato “notevole interesse” quando li ha presentati a un recente incontro della American Astronomical Society.