A sinistra: questa è un'immagine della stella HR 8799 scattata dalla telecamera a infrarossi vicini e dallo spettrometro multioggetto (NICMOS) di Hubble nel 1998. Una maschera all'interno della telecamera (coronografo) blocca la maggior parte della luce dalla stella. Gli astronomi hanno anche utilizzato un software per sottrarre digitalmente più luce stellare. Tuttavia, la luce diffusa da HR 8799 domina l'immagine, oscurando quattro deboli pianeti scoperti successivamente da osservazioni a terra. A destra: una nuova analisi dei dati NICMOS nel 2011 ha scoperto tre degli esopianeti, che non erano stati visti nelle immagini del 1998. Webb sonderà le atmosfere dei pianeti a lunghezze d'onda dell'infrarosso che gli astronomi hanno usato raramente per immaginare mondi lontani. Credito: NASA, ESA e R. Soummer (STScI)
Webb della NASA per studiare i giovani esopianeti sull'orlo
Webb sonderà il regno esterno dei sistemi esoplanetari, indagando sui pianeti conosciuti e cercando nuovi mondi.
Sebbene siano stati scoperti più di 4,000 pianeti attorno ad altre stelle, non rappresentano l'ampia diversità di possibili mondi alieni. La maggior parte degli esopianeti rilevati finora sono i cosiddetti "star hugger": orbitano così vicino alle loro stelle ospiti che completano un'orbita in giorni o settimane. Questi sono i più facili da trovare con le attuali tecniche di rilevamento.
Ma c'è un vasto paesaggio per lo più inesplorato per cacciare esopianeti in orbite più lontane. Gli astronomi hanno appena iniziato a esplorare questa frontiera. I pianeti sono abbastanza lontani dalle loro stelle che i telescopi dotati di maschere per bloccare il bagliore accecante di una stella possono vedere direttamente i pianeti. I pianeti più facili da individuare sono mondi caldi e di nuova formazione. Sono abbastanza giovani da brillare ancora alla luce infrarossa con il calore della loro formazione.
Questo regno esterno dei sistemi esoplanetari è un terreno di caccia ideale per NASAè imminente James Webb Space Telescope. Webb sonderà le atmosfere dei vicini esopianeti conosciuti, come HR 8799 e 51 Eridani b, a lunghezze d'onda dell'infrarosso. Webb cercherà anche altri mondi lontani, forse fino a Saturno-size—alla periferia di sistemi planetari che non possono essere rilevati con telescopi terrestri.
Questo schema mostra le posizioni dei quattro esopianeti che orbitano lontano dalla vicina stella HR 8799. Le orbite appaiono allungate a causa di una leggera inclinazione del piano delle orbite rispetto alla nostra linea di vista. La dimensione del sistema planetario HR 8799 è paragonabile al nostro sistema solare, come indicato dall'orbita di Nettuno, mostrata in scala. Credito: NASA, ESA e R. Soummer (STScI)
Prima che i pianeti attorno ad altre stelle fossero scoperti per la prima volta negli anni '1990, questi mondi esotici lontani vivevano solo nell'immaginazione degli scrittori di fantascienza.
Ma nemmeno le loro menti creative avrebbero potuto concepire la varietà di mondi scoperti dagli astronomi. Molti di questi mondi, chiamati esopianeti, sono molto diversi dalla famiglia di pianeti del nostro sistema solare. Si va da "gioviani caldi" che abbracciano le stelle a pianeti rocciosi di grandi dimensioni soprannominati "super Terre". Il nostro universo a quanto pare è più strano della finzione.
Vedere questi mondi lontani non è facile perché si perdono nel bagliore delle stelle che li ospitano. Cercare di individuarli è come sforzarsi per vedere una lucciola in bilico accanto al brillante faro di un faro.
Ecco perché gli astronomi hanno identificato la maggior parte degli oltre 4,000 esopianeti trovati finora utilizzando tecniche indirette, come attraverso la leggera oscillazione di una stella o il suo inaspettato oscuramento quando un pianeta le passa davanti, bloccando parte della luce stellare.
Queste tecniche funzionano meglio, tuttavia, per i pianeti in orbita vicino alle loro stelle, dove gli astronomi possono rilevare i cambiamenti nel corso di settimane o addirittura giorni mentre il pianeta completa la sua orbita di pista. Ma trovare solo pianeti che sfiorano le stelle non fornisce agli astronomi un quadro completo di tutti i mondi possibili nei sistemi stellari.
Questa immagine scoperta di un pianeta extrasolare delle dimensioni di Giove in orbita attorno alla vicina stella 51 Eridani è stata scattata nel vicino infrarosso nel 2014 dal Gemini Planet Imager. La brillante stella centrale è nascosta dietro una maschera al centro dell'immagine per consentire il rilevamento dell'esopianeta, che è 1 milione di volte più debole di 51 Eridani. L'esopianeta si trova alla periferia del sistema planetario a 11 miliardi di miglia dalla sua stella. Webb sonderà l'atmosfera del pianeta a lunghezze d'onda dell'infrarosso che gli astronomi hanno usato raramente per immaginare mondi lontani. Crediti: Osservatorio internazionale Gemini/NOIRLab/NSF/AURA, J. Rameau (Università di Montreal) e C. Marois (Consiglio nazionale delle ricerche del Canada Herzberg)
Un'altra tecnica utilizzata dai ricercatori nella caccia agli esopianeti, che sono pianeti in orbita attorno ad altre stelle, è quella che si concentra su pianeti che sono più lontani dal bagliore accecante di una stella. Gli scienziati, utilizzando tecniche di imaging specializzate che bloccano il bagliore della stella, hanno scoperto giovani esopianeti così caldi da brillare nella luce infrarossa. In questo modo, alcuni esopianeti possono essere visti e studiati direttamente.
L'imminente James Webb Space Telescope della NASA aiuterà gli astronomi a sondare ulteriormente questa nuova audace frontiera. Webb, come alcuni telescopi terrestri, è dotato di speciali sistemi ottici chiamati coronagrafi, che utilizzano maschere progettate per bloccare quanta più luce stellare possibile per studiare deboli esopianeti e scoprire nuovi mondi.
Due obiettivi all'inizio della missione di Webb sono i sistemi planetari 51 Eridani e HR 8799. Tra le poche dozzine di pianeti fotografati direttamente, gli astronomi prevedono di utilizzare Webb per analizzare in dettaglio i sistemi che sono più vicini alla Terra e hanno pianeti alla più ampia separazione dalla loro stelle. Ciò significa che appaiono abbastanza lontani dal bagliore di una stella per essere osservati direttamente. Il sistema HR 8799 risiede a 133 anni luce e 51 Eridani a 96 anni luce dalla Terra.
Gli obiettivi planetari di Webb
Due programmi di osservazione all'inizio della missione di Webb combinano le capacità spettroscopiche del Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) e l'imaging della Near Infrared Camera (NIRCam) e del Mid-Infrared Instrument (MIRI) per studiare i quattro pianeti giganti nel sistema HR 8799. In un terzo programma, i ricercatori utilizzeranno NIRCam per analizzare il pianeta gigante in 51 Eridani.
I quattro pianeti giganti nel sistema HR 8799 sono circa 10 ciascuno Giove masse. Orbitano a più di 14 miliardi di miglia da una stella leggermente più massiccia del Sole. Il pianeta gigante in 51 Eridani ha una massa doppia di Giove e orbita a circa 11 miliardi di miglia da una stella simile al Sole. Entrambi i sistemi planetari hanno orbite orientate frontalmente verso la Terra. Questo orientamento offre agli astronomi un'opportunità unica di avere una vista a volo d'uccello sopra i sistemi, come guardare gli anelli concentrici su un bersaglio di tiro con l'arco.
Molti esopianeti trovati nelle orbite esterne delle loro stelle sono molto diversi dai pianeti del nostro sistema solare. La maggior parte degli esopianeti scoperti in questa regione esterna, compresi quelli in HR 8799, hanno tra le 5 e le 10 masse di Giove, il che li rende i pianeti più massicci mai trovati fino ad oggi.
Questi esopianeti esterni sono relativamente giovani, da decine di milioni a centinaia di milioni di anni, molto più giovani dei 4.5 miliardi di anni del nostro sistema solare. Quindi stanno ancora brillando di calore dalla loro formazione. Le immagini di questi esopianeti sono essenzialmente immagini di bambini, che rivelano pianeti nella loro giovinezza.
Questo video mostra quattro esopianeti delle dimensioni di Giove in orbita a miliardi di miglia di distanza dalla loro stella nel vicino sistema HR 8799. Il sistema planetario è orientato frontalmente verso la Terra, offrendo agli astronomi una vista unica a volo d'uccello del movimento dei pianeti. Gli esopianeti orbitano così lontano dalla loro stella che impiegano da decenni a secoli per completare un'orbita. Il video è composto da sette immagini del sistema riprese in un periodo di sette anni con l'Osservatorio WM Keck a Mauna Kea, Hawaii. Il coronografo di Keck blocca la maggior parte della luce stellare in modo da poter vedere gli esopianeti molto più deboli e più piccoli. Credito: Jason Wang (Caltech) e Christian Marois (NRC Herzberg)
Webb sonderà nel medio infrarosso, una gamma di lunghezze d'onda che gli astronomi hanno usato raramente prima per immaginare mondi lontani. Questa "finestra" a infrarossi è difficile da osservare da terra a causa dell'emissione termica e dell'assorbimento nell'atmosfera terrestre.
"Il punto di forza di Webb è la luce disinibita che arriva attraverso lo spazio nella gamma del medio infrarosso", ha affermato Klaus Hodapp dell'Università delle Hawaii a Hilo, ricercatore capo delle osservazioni NIRSpec del sistema HR 8799. “L'atmosfera terrestre è piuttosto difficile da elaborare. Le principali molecole di assorbimento nella nostra stessa atmosfera ci impediscono di vedere caratteristiche interessanti nei pianeti".
Il medio infrarosso “è la regione in cui Webb darà davvero un contributo fondamentale per capire quali sono le molecole particolari, quali sono le proprietà dell'atmosfera che speriamo di trovare e che in realtà non otteniamo solo dal più breve, vicino infrarosso lunghezze d'onda", ha affermato Charles Beichman del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California, ricercatore capo delle osservazioni NIRCam e MIRI del sistema HR 8799. "Lavoreremo su ciò che hanno fatto gli osservatori a terra, ma l'obiettivo è espanderlo in un modo che sarebbe impossibile senza Webb".
Come si formano i pianeti?
Uno degli obiettivi principali dei ricercatori in entrambi i sistemi è utilizzare Webb per aiutare a determinare come si sono formati gli esopianeti. Sono stati creati attraverso un accumulo di materiale nel disco che circonda la stella, arricchito di elementi pesanti come il carbonio, proprio come probabilmente fece Giove? Oppure si sono formati dal collasso di una nuvola di idrogeno, come una stella, e sono diventati più piccoli sotto l'inesorabile forza di gravità?
Il trucco atmosferico può fornire indizi sulla nascita di un pianeta. "Una delle cose che vorremmo capire è il rapporto tra gli elementi che sono entrati nella formazione di questi pianeti", ha detto Beichman. “In particolare, carbonio contro ossigeno ti dice molto sulla provenienza del gas che ha formato il pianeta. Veniva da un disco che accresceva molti degli elementi più pesanti o veniva dal mezzo interstellare? Quindi è quello che chiamiamo il rapporto carbonio-ossigeno che è abbastanza indicativo dei meccanismi di formazione”.
Questo video mostra un Giove grande esopianeta in orbita molto lontano, a circa 11 miliardi di miglia, da una vicina stella simile al Sole, 51 Eridani. Il sistema planetario è orientato frontalmente verso la Terra, offrendo agli astronomi una vista unica a volo d'uccello del movimento del pianeta. Il video è composto da cinque immagini scattate in quattro anni con il Gemini Planet Imager del Gemini South Telescope, in Cile. Il coronografo di Gemini blocca la maggior parte della luce stellare in modo da poter vedere l'esopianeta molto più debole e più piccolo. Credito: Jason Wang (Caltech)/Indagine sull'esopianeta di Gemini Planet Imager
Per rispondere a queste domande, i ricercatori utilizzeranno Webb per sondare più in profondità le atmosfere degli esopianeti. NIRCam, ad esempio, misurerà le impronte atmosferiche di elementi come il metano. Esaminerà anche le caratteristiche delle nuvole e le temperature di questi pianeti. "Abbiamo già molte informazioni su queste lunghezze d'onda del vicino infrarosso da strutture a terra", ha affermato Marshall Perrin dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland, ricercatore capo delle osservazioni NIRCam di 51 Eridani b. “Ma i dati di Webb saranno molto più precisi, molto più sensibili. Avremo una serie più completa di lunghezze d'onda, incluso il riempimento di spazi vuoti in cui non è possibile ottenere quelle lunghezze d'onda da terra".
Gli astronomi useranno anche Webb e la sua superba sensibilità per cercare pianeti meno massicci lontani dalla loro stella. "Dalle osservazioni da terra, sappiamo che questi enormi pianeti sono relativamente rari", ha detto Perrin. “Ma sappiamo anche che per le parti interne dei sistemi, i pianeti di massa inferiore sono drammaticamente più comuni dei pianeti di massa maggiore. Quindi la domanda è: vale anche per queste ulteriori separazioni? Beichman ha aggiunto: “Il funzionamento di Webb nell'ambiente freddo dello spazio consente a Ricerca per pianeti più deboli e più piccoli, impossibili da rilevare da terra.
Un altro obiettivo è capire come sono stati creati la miriade di sistemi planetari scoperti finora.
"Penso che quello che stiamo scoprendo è che c'è un'enorme diversità nei sistemi solari", ha detto Perrin. “Hai sistemi in cui hai questi caldi pianeti di Giove in orbite molto ravvicinate. Hai sistemi dove non ce l'hai. Hai sistemi in cui hai un pianeta di massa 10 Giove e quelli in cui non hai niente di più massiccio di diverse Terre. In definitiva, vogliamo capire come la diversità della formazione del sistema planetario dipenda dall'ambiente della stella, dalla massa della stella, da ogni sorta di altre cose e, infine, attraverso questi studi a livello di popolazione, speriamo di collocare il nostro sistema solare nel contesto .”
Le osservazioni spettroscopiche NIRSpec di HR 8799 e le osservazioni NIRCam di 51 Eridani fanno parte dei programmi Guaranteed Time Observations che saranno condotti poco dopo il lancio di Webb entro la fine dell'anno. Le osservazioni NIRCam e MIRI di HR 8799 sono una collaborazione di due gruppi di strumenti e fa anche parte del programma Guaranteed Time Observations.
Il telescopio spaziale James Webb sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre a mondi lontani attorno ad altre stelle e sonderà le misteriose strutture e origini del nostro universo e del nostro luogo dentro. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency.
