La stella nana rossa TRAPPIST-1 ospita il più grande gruppo di pianeti di dimensioni approssimativamente terrestri mai trovato in un singolo sistema stellare. Situati a circa 40 anni luce di distanza, questi sette fratelli rocciosi forniscono un esempio dell’enorme varietà di sistemi planetari che probabilmente riempiono l’universo.
Un nuovo studio pubblicato sul Planetary Science Journal mostra che i pianeti di TRAPPIST-1 hanno densità notevolmente simili. Ciò potrebbe significare che contengono tutti circa lo stesso rapporto di materiali che si ritiene compongano la maggior parte dei pianeti rocciosi, come ferro, ossigeno, magnesio e silicio. Ma se questo è il caso, quel rapporto deve essere notevolmente diverso da quello della Terra: i pianeti di TRAPPIST-1 sono circa l’8% meno densi di quanto sarebbero se avessero la stessa composizione del nostro pianeta natale. Sulla base di questa conclusione, gli autori dell’articolo hanno ipotizzato che alcune diverse miscele di ingredienti potrebbero dare ai pianeti TRAPPIST-1 la densità misurata.
Alcuni di questi pianeti sono noti dal 2016, quando i ricercatori annunciarono di aver trovato tre pianeti attorno alla stella TRAPPIST-1 utilizzando il Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Cile. Le successive osservazioni, ottenute attraverso l’ormai in pensione Spitzer Space Telescope della NASA, in collaborazione con telescopi terrestri, hanno confermato due dei pianeti originali e ne hanno scoperti altri cinque. Gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, Spitzer ha osservato il sistema per oltre 1.000 ore prima di essere disattivato nel gennaio 2020. Anche i telescopi spaziali Hubble della NASA e Kepler, anche quest’ultimo ormai disattivato, hanno studiato il sistema.
Tutti e sette i pianeti di TRAPPIST-1, che sono molto vicini alla loro stella, sono stati trovati tramite il metodo di transito: gli scienziati non possono vedere i pianeti direttamente (sono troppo piccoli e deboli rispetto al stella), quindi cercano cali nella luminosità della stella causati dal passaggio dei pianeti tra noi e la stella.
Questo grafico presenta le proprietà misurate dei sette esopianeti TRAPPIST-1 (etichettati da b ad h), mostrando come si sovrappongono l’uno all’altro e alla Terra e agli altri mondi rocciosi interni nel nostro sistema solare. Le dimensioni relative dei pianeti sono indicate dai cerchi. Tutti i pianeti conosciuti di TRAPPIST-1 sono più grandi di Marte, con 5 di loro entro il 15% del diametro della Terra. Le corrispondenti “zone abitabili” dei due sistemi planetari, regioni in cui un pianeta simile alla Terra potrebbe potenzialmente supportare la presenza di acqua liquida sulla sua superficie, sono indicate vicino alla parte superiore. L’offset tra le due zone è dovuto alla più fredda stella TRAPPIST-1 che emette più luce sotto forma di radiazione infrarossa che viene assorbita in modo più efficiente da un’atmosfera simile alla Terra. Poiché è necessaria una minore illuminazione per raggiungere le stesse temperature, la zona abitabile si sposta più lontano dalla stella. Le masse e le densità dei pianeti TRAPPIST-1 sono state determinate da misurazioni attente di lievi variazioni nei tempi delle loro orbite utilizzando estese osservazioni fatte dai telescopi spaziali Spitzer e Kepler della NASA, in combinazione con i dati di Hubble e un numero di telescopi terrestri . L’ultima analisi, che include il record completo di Spitzer di oltre 1.000 ore di osservazioni TRAPPIST-1, ha ridotto le incertezze delle misurazioni di massa a un mero 2-3%. Queste sono di gran lunga le misurazioni più accurate delle masse planetarie ovunque al di fuori del nostro sistema solare. Credito: NASA / JPL-Caltech.
Le osservazioni ripetute dei cali di luce stellare combinate con le misurazioni dei tempi delle orbite dei pianeti hanno permesso agli astronomi di stimare le masse e i diametri dei pianeti, che sono stati a loro volta utilizzati per calcolare le loro densità. Calcoli precedenti hanno stabilito che i pianeti hanno all’incirca le dimensioni e la massa della Terra e quindi devono anche essere rocciosi, o terrestri, al contrario di quelli dominati dal gas, come Giove e Saturno. Il nuovo documento offre le misurazioni di densità più precise ottenute finora per qualsiasi gruppo di esopianeti.
La composizione dei pianeti di Trappist-1
Più precisamente gli scienziati conoscono la densità di un pianeta, più limiti possono porre alla sua composizione. Ad esempio, un fermacarte potrebbe avere all’incirca le stesse dimensioni di una palla da baseball, ma di solito è molto più pesante. Insieme, grandezza e peso rivelano la densità di ogni oggetto, e da lì è possibile dedurre che la palla da baseball è fatta di qualcosa di più leggero (corda e pelle) e il fermacarte è fatto di qualcosa di più pesante (solitamente vetro o metallo).
Le densità degli otto pianeti nel nostro sistema solare variano ampiamente. I grandi giganti dominati dai gas – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – sono più grandi ma molto meno densi dei quattro mondi rocciosi perché sono composti principalmente da elementi più leggeri come l’idrogeno e l’elio. Anche i quattro mondi terrestri mostrano una certa varietà nelle loro densità, che sono determinate sia dalla composizione di un pianeta che dalla compressione dovuta alla gravità del pianeta stesso. Sottraendo l’effetto della gravità, gli scienziati possono calcolare quella che è nota come densità non compressa di un pianeta e potenzialmente saperne di più sulla composizione di un pianeta.
I sette pianeti TRAPPIST-1 possiedono densità simili: i valori differiscono non più del 3%. Questo rende il sistema molto diverso dal nostro. La differenza di densità tra i pianeti di TRAPPIST-1 e la Terra e Venere può sembrare piccola – circa l’8% – ma è significativa su scala planetaria. Ad esempio, un modo per spiegare perché i pianeti TRAPPIST-1 sono meno densi è che hanno una composizione simile alla Terra, ma con una percentuale inferiore di ferro, circa il 21% rispetto al 32% della Terra, secondo lo studio.
In alternativa, il ferro nei pianeti TRAPPIST-1 potrebbe essere infuso con alti livelli di ossigeno, formando ossido di ferro o ruggine. L’ossigeno aggiuntivo diminuirebbe le densità dei pianeti. La superficie di Marte ottiene la sua tinta rossa dall’ossido di ferro, ma come i suoi tre fratelli terrestri, ha un nucleo composto da ferro non ossidato. Al contrario, se la densità inferiore dei pianeti TRAPPIST-1 fosse causata interamente dal ferro ossidato, i pianeti dovrebbero essere arrugginiti dappertutto e non potrebbero avere nuclei di ferro solidi.
Eric Agol, astrofisico dell’Università di Washington e autore principale del nuovo studio, ha detto che la risposta potrebbe essere una combinazione dei due scenari: meno ferro in generale e una parte di ferro ossidato.
Il team ha anche esaminato la possibilità che la superficie dei pianeti possa essere ricoperta d’acqua, che è anche più leggera della ruggine e che cambierebbe la densità complessiva del pianeta. Se così fosse, l’acqua dovrebbe rappresentare circa il 5% della massa totale dei quattro pianeti esterni. In confronto, l’acqua costituisce meno di un decimo dell’1% della massa totale della Terra.
Poiché sono posizionati troppo vicino alla loro stella perché l’acqua rimanga un liquido nella maggior parte delle circostanze, i tre pianeti TRAPPIST-1 interni richiederebbero atmosfere calde e dense come quella di Venere, in modo tale che l’acqua potrebbe rimanere legata al pianeta come vapore. Ma, secondo Agol, questa spiegazione sembra meno probabile perché sarebbe una coincidenza troppo grande il fatto che tutti e sette i pianeti abbiano abbastanza acqua da avere densità simili.
“Il cielo notturno è pieno di pianeti ed è solo da 30 anni che siamo stati in grado di iniziare a svelare i loro misteri“, ha detto Caroline Dorn, astrofisica dell’Università di Zurigo e coautrice dell’articolo. “Il sistema TRAPPIST-1 è affascinante perché attorno a questa stella possiamo conoscere la diversità dei pianeti rocciosi all’interno di un singolo sistema. E possiamo effettivamente imparare di più su un pianeta studiando anche i suoi vicini“.
