Pianeti oceani: la chiave dell’enigma degli esopianeti

Gli esopianeti con un raggio doppio rispetto alla Terra sono rari. Un team del MPIA, dell’Università di Ginevra e dell’UNIBE ha trovato nuove spiegazioni.

Perché sono stati individuati così pochi esopianeti di dimensioni doppie rispetto alla Terra? Sulla base di simulazioni al computer, un team del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e delle Università di Ginevra (UNIGE) e Berna (UNIBE) ha rivelato che la migrazione dei pianeti ghiacciati sub-nettuniani - i pianeti oceano - potrebbe spiegare questa assenza. Quando questi pianeti si avvicinano alla loro stella centrale, il ghiaccio d’acqua che evapora forma un’atmosfera che li fa apparire più grandi rispetto allo stato ghiacciato, ben oltre il doppio del raggio terrestre. Allo stesso tempo, i piccoli pianeti rocciosi, più grandi della Terra, stanno gradualmente perdendo parte del loro involucro gassoso originario, portando a una significativa riduzione del loro raggio. Questi risultati aprono nuove prospettive per lo studio degli esopianeti. Per saperne di più, consultare Nature Astronomy.

Nel 2017, il telescopio spaziale Kepler ha rivelato l’assenza di pianeti con una dimensione di circa due raggi terrestri. Questa "lacuna" nella distribuzione dei raggi planetari è nota come "frattura sub-nettuniana". La sua esistenza è uno dei vincoli osservativi più importanti per comprendere l’origine e la composizione degli esopianeti il cui raggio è compreso tra quello della Terra e quello di Nettuno", spiega Julia Venturini, borsista SNSF Ambizione, collaboratrice scientifica presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università di Ginevra, membro del NCCR PlanetS e coautrice dello studio. Come altri gruppi di ricerca, avevamo previsto sulla base dei nostri calcoli, anche prima delle osservazioni del 2017, l’esistenza di questa spaccatura", aggiunge Christoph Mordasini, professore presso la Divisione di Ricerca Spaziale e Scienze Planetarie (WP) dell’UNIBE, membro del NCCR PlanetS e coautore dello studio.

Da dove proviene la spaccatura sub-nettuniana?

Due tipi di esopianeti popolano la fascia di raggio compresa tra uno e quattro raggi terrestri. Da un lato, ci sono i pianeti rocciosi - le "super-Terre" - più grandi della Terra. Dall’altro lato, ci sono pianeti gassosi noti come pianeti subnettuniani (o mini-Nettuni), alcuni dei quali, noti come pianeti oceano, potrebbero contenere così tanta acqua che la loro superficie sarebbe coperta da un oceano ghiacciato profondo diverse decine di chilometri. Di questi due tipi di pianeti, le super-Terre e i subnettuniani, gli astronomi ne stanno scoprendo pochissimi con un raggio doppio rispetto a quello della Terra.

Per spiegare la comparsa di questa "spaccatura", il meccanismo più spesso suggerito è che i pianeti perdano parte della loro atmosfera originaria sotto l’effetto dell’irraggiamento della stella. Questa spiegazione presuppone che i pianeti si formino e rimangano molto vicini alla loro stella, dove sarebbero asciutti, senza acqua", spiega Julia Venturini. Tuttavia, questa spiegazione contraddice i modelli di formazione, che mostrano che i pianeti con dimensioni comprese tra due e quattro raggi terrestri, i pianeti oceanici, provengono generalmente dalle regioni ghiacciate più lontane del sistema stellare".

Numerosi indizi suggeriscono quindi che alcuni pianeti potrebbero allontanarsi dal luogo di nascita durante la loro evoluzione, migrando verso l’interno o l’esterno del loro sistema. Questa migrazione permetterebbe ai pianeti nati in regioni fredde e ghiacciate, come i pianeti oceanici, di completare la loro formazione in orbite molto vicine alla loro stella.

Pianeta-oceano errante

Quando i pianeti oceanici ghiacciati e ricchi di acqua migrano verso la loro stella, il ghiaccio si scioglie e alla fine forma una spessa atmosfera di vapore acqueo. Questo processo fa sì che il loro raggio aumenti fino a valori leggermente più grandi, oltre il doppio del raggio della Terra. Al contrario, le super-Terre povere d’acqua si "restringono" perdendo i gas volatili della loro atmosfera originaria, come l’idrogeno e l’elio, sotto l’influenza della stella.

I modelli computerizzati combinati di formazione ed evoluzione indicano che la migrazione dei pianeti-oceani contribuisce in modo significativo all’elevato numero di pianeti individuati con un raggio superiore a due raggi terrestri, mentre l’evaporazione atmosferica delle super-Terra contribuisce all’eccesso di pianeti più piccoli di due raggi terrestri. Al centro di queste due popolazioni si trova la frattura sub-nettuniana. Avevamo già ottenuto questo risultato nel 2020. Il nuovo studio lo conferma con un diverso modello di formazione. Rafforza la conclusione che i pianeti subnettuniani sono principalmente mondi d’acqua", spiega Julia Venturini, che ha guidato anche lo studio del 2020.

Altro lavoro in arrivo

Oltre a spiegare un fenomeno finora misterioso, questo lavoro apre nuove prospettive per lo studio degli esopianeti. Se dovessimo estendere i nostri risultati a regioni più temperate, dove l’acqua è liquida, ciò potrebbe suggerire l’esistenza di mondi acquatici con oceani liquidi profondi", spiega Christoph Mordasini. Tali pianeti potrebbero potenzialmente ospitare la vita e sarebbero obiettivi relativamente semplici per la ricerca di biomarcatori, date le loro dimensioni".

Potrebbero essere utili anche le osservazioni con telescopi come il James Webb Space Telescope o l’Extremely Large Telescope, attualmente in costruzione. Esse permetterebbero di determinare la composizione atmosferica dei pianeti in funzione delle loro dimensioni, il che consentirebbe di testare le simulazioni descritte.

9 febbraio 2024