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Lo studio di un pianeta così rovente da meritarsi il soprannome di "roasting marshmallow" (caramella gommosa arrostita) sta mettendo in crisi le ipotesi che spiegano la nascita di pianeti simili, inesistenti nel nostro sistema solare, ma numerosi in altri.
La storia inizia nel momento in cui i ricercatori, utilizzando il telescopio Gemini South, hanno scoperto che il pianeta gioviano (ossia con dimensioni superiori a Giove) ultra-caldo WASP-121b potrebbe essersi formato più vicino alla sua stella di quanto si pensasse in precedenza e questo mette in discussione ciò che si ipotizzava su come si formano i pianeti.
Esopianeti. Dalla scoperta del primo pianeta al di fuori del sistema solare a metà degli anni '90, il catalogo dei pianeti extrasolari, o "esopianeti", è cresciuto fino ad oltre 5.000 voci. Molti di questi esopianeti non assomigliano a nulla di ciò che si trova nel nostro sistema solare. I cosiddetti "Giove caldi" e "ultra-caldi" sono pianeti giganti gassosi più grandi di massa e dimensioni di Giove, così vicini alle loro stelle che possono completare un'orbita in poche ore.
Una teoria che traballa. Fino a un terzo degli esopianeti scoperti sono Giove caldi. Finora si pensava che questi pianeti si fossero formati lontano dalle loro stelle, in orbite simili a quelle di Giove e Saturno nel nostro sistema solare, prima di migrare verso l'interno e riscaldarsi fino a temperature infernali. Tuttavia, lo studio di WASP-121b mette in dubbio queste idee sulla loro origine.
Il gruppo di lavoro che ha condotto questa ricerca è giunto a questa conclusione quando ha iniziato a studiare la chimica dei dischi protoplanetari, le nubi appiattite di gas e polvere che circondano le stelle neonate da cui emergono i pianeti, utilizzando lo strumento IGRINS (Immersion Grating INfrared Spectrograph) installato sul telescopio Gemini South in Cile.
Un nuovo strumento. Con IGRINS il team è stato in grado di misurare il rapporto tra roccia e ghiaccio per un pianeta in transito davanti alla sua stella. «I dati raccolti da Gemini South tramite IGRINS hanno permesso di effettuare misurazioni più precise delle singole abbondanze chimiche di quanto avrebbero potuto fare i telescopi spaziali», ha sottolineato Peter Smith del Roasting Marshmallows Program. «La sensibilità dei nostri strumenti sta avanzando al punto che possiamo sondare diverse regioni, altitudini e longitudini per conoscere dettagli specifici come la velocità del vento».
Piovono metalli. Situato a circa 858 anni luce dalla Terra, WASP-121b ha una massa pari a 1,2 volte quella di Giove ma è gonfio, il che lo rende 1,9 volte più largo del pianeta più grande del sistema solare.
È così vicino alla sua stella che impiega solo 1,3 giorni terrestri per completare un'orbita.
WASP-121b è bloccato dalle maree, il che significa che il pianeta ha un "lato diurno" rovente che si affaccia sulla stella madre e un lato notturno più freddo che si affaccia sempre nello spazio. Il lato diurno di WASP-121b è così caldo, a circa 2.500 gradi Celsius, che i metalli sul pianeta possono essere vaporizzati e trasportati verso l'alto nella sua atmosfera. Questi metalli vengono poi spinti verso il lato notturno del pianeta da potenti venti che si muovono a 17.700 km/h, dove si raffreddano e cadono come piogge di metallo liquido, rubino e zaffiro.
Questione di chimica. Stando a quanto si ipotizzava i modelli di formazione planetaria suggeriscono che WASP-121b avrebbe dovuto formarsi più lontano nel disco protoplanetario che un tempo circondava la sua stella rispetto alla posizione che occupa oggi, prima di migrare verso l'interno. Ma le analisi eseguite con le nuove apparecchiature dicono che la chimica del pianeta non sembra supportare questa idea.
Nel disco protoplanetario di questo sistema (e di tutti gli altri) sarebbe dovuto esistere un gradiente che vedeva i materiali rocciosi e ghiacciati trasformarsi da vapore a solido man mano che aumentava la distanza dalla stella. Gli astronomi possono andare a caccia di firme di elementi nei pianeti e nelle loro atmosfere e determinare il rapporto tra materia rocciosa e materia gassosa ghiacciata presente quando il pianeta è nato.
WASP-121b si è formato accanto alla sua stella? Questo dato dovrebbe indicare quanto lontano dalla stella si è formato il pianeta. Per determinare questo rapporto, gli astronomi devono effettuare osservazioni con apparecchiature diverse: uno strumento a luce visibile per rilevare il materiale roccioso solido e uno strumento a infrarossi per la materia gassosa. Il fatto che WASP-121b sia così caldo significa che entrambi gli elementi vengono vaporizzati nella sua atmosfera e possono essere rilevati con IGRINS mentre il pianeta transita davanti alla sua stella.
Il team ha scoperto che il rapporto roccia-ghiaccio era particolarmente alto. Ciò suggerisce che il pianeta, ai suoi primordi, era in grado di accumulare una grande quantità di materia rocciosa mentre si stava formando. Ciò indicherebbe che è nato in una regione del disco protoplanetario troppo calda perché i ghiacci si condensassero e quindi era molto vicino alla sua stella. Questa è stata una sorpresa per gli scienziati poiché l'attuale paradigma suggerisce che i giganti gassosi abbiano bisogno di ghiacci solidi per formarsi e quindi essere sufficientemente lontani dalla stella madre.
«Le nostre misurazioni indicano che forse i nostri modelli di formazione dei pianeti devono essere rivisti», ha aggiunto Smith.
In futuro. Smith e colleghi ora intendono espandere la loro indagine sui Giove ultra-caldi in altri sistemi planetari utilizzando gli strumenti IGRINS-2 attualmente in fase di calibrazione. Ciò dovrebbe consentire agli scienziati di costruire un campione più ampio di atmosfere di esopianeti gioviani caldi e svelare i segreti di questi mondi estremi diversi da qualsiasi cosa vista nel sistema solare.
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