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I misteriosi esopianeti Giove caldi

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Combinando le osservazioni del telescopio spaziale Hubble con modelli teorici, un team di astronomi ha acquisito informazioni sulla composizione chimica e fisica di una varietà di esopianeti noti come Giove caldi. I risultati forniscono una “guida sul campo” nuova e migliorata per questo gruppo di pianeti, e forniscono idee sulla formazione dei pianeti in generale.

I Giove caldi, sono pianeti giganti gassosi che ruotano intorno alle loro stelle ospiti in orbite estremamente strette.

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Mentre gli studi precedenti si concentravano principalmente su singoli mondi classificati come “Giove caldi”, a causa della loro superficiale somiglianza con il gigante gassoso del nostro sistema solare, il nuovo studio è il primo a esaminare una popolazione più ampia di mondi strani.

Lo studio, che è stato pubblicato su Nature Astronomy, fornisce agli astronomi una “guida sul campo” senza precedenti sui misteriosi Giove caldi, e offre informazioni sulla formazione dei pianeti in generale. Lo studio è stato guidato da Megan Mansfield dell’Osservatorio Steward dell’Università dell’Arizona e comprende il coautore dell’ASU e assistente professore Michael Line della School of Earth and Space Exploration. Ulteriori autori dell’ASU includono l’attuale studentessa di dottorato Lindsey Wiser e l’ex studente di dottorato Ehsan Gharib-Nezhad, attualmente del NASA Ames Research Center.

Sebbene gli astronomi pensino che solo 1 stella su 10 ospiti un esopianeta di questa classe, i particolari pianeti costituiscono una parte considerevole degli esopianeti scoperti fino ad oggi, a causa del fatto che sono più grandi e più luminosi di altri tipi di esopianeti, come i pianeti rocciosi, più simili alla Terra o pianeti gassosi più piccoli e più freddi.

Di dimensioni variabili, da circa un terzo delle dimensioni di Giove a 10 masse di Giove, tutti i Giove caldi orbitano attorno alla loro stella ospite a una distanza estremamente ravvicinata, di solito molto più vicina di Mercurio, il pianeta più interno del nostro sistema solare, al Sole. Un “anno” su un tipico Giove caldo dura ore, o al massimo pochi giorni. Per fare un confronto, Mercurio impiega quasi tre mesi per completare un giro intorno al Sole.

A causa delle loro orbite ravvicinate, si pensa che la maggior parte, se non tutti, dei Giove caldi siano bloccati in un abbraccio ad alta velocità con le stelle che li ospitano, con un lato eternamente esposto alla radiazione della stella e l’altro avvolto nell’oscurità perpetua. La superficie di un tipico Giove caldo può raggiungere la temperatura di quasi 5.000 gradi Fahrenheit, con campioni “più freddi” che raggiungono i 1.400 gradi, abbastanza caldo da fondere l’alluminio.

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La ricerca ha utilizzato osservazioni fatte con il telescopio spaziale Hubble che hanno permesso al team di misurare direttamente gli spettri di emissione dei Giove caldi, nonostante il fatto che Hubble non possa visualizzare direttamente nessuno di questi pianeti.

“Questi sistemi, queste stelle e i loro Giove caldi, sono troppo lontani per fornire un’immagine dettagliata della singola stella e il suo pianeta”, ha affermato Mansfield. “Tutto ciò che possiamo vedere è un punto, la fonte di luce combinata dei due”.

Mansfield e il suo team hanno utilizzato un metodo noto come eclissi secondaria per estrarre informazioni dalle osservazioni che hanno permesso loro di scrutare in profondità le atmosfere dei pianeti e ottenere informazioni sulla loro struttura e composizione chimica. La tecnica prevede osservazioni ripetute dello stesso sistema, catturando il pianeta in vari punti della sua orbita, anche quando si immerge dietro la stella.

“Fondamentalmente misuriamo la luce combinata proveniente dalla stella e dal suo pianeta e confrontiamo tale misurazione con ciò che vediamo quando il pianeta è nascosto dietro la sua stella”, ha detto Mansfield. “Questo ci permette di sottrarre il contributo della stella e isolare la luce emessa dal pianeta, anche se non possiamo vederla direttamente”.

I dati dell’eclissi hanno fornito ai ricercatori informazioni sulla struttura termica delle atmosfere dei Giove caldi e hanno permesso loro di costruire profili individuali di temperature e pressioni per ciascuno di essi. Il team ha quindi analizzato la luce del vicino infrarosso, che è una banda di lunghezze d’onda appena oltre la gamma che gli esseri umani possono vedere, proveniente da ciascun sistema caldo di Giove per le cosiddette caratteristiche di assorbimento.

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Poiché ogni molecola o atomo ha il suo profilo di assorbimento specifico, come un’impronta digitale, l’osservazione di diverse lunghezze d’onda consente ai ricercatori di ottenere informazioni sulla composizione chimica dei Giove caldi. Ad esempio, se l’acqua è presente nell’atmosfera del pianeta, assorbirà la luce a 1,4 micron, che rientra nella gamma di lunghezze d’onda che Hubble può vedere molto bene.

“In un certo senso, usiamo le molecole per scansionare le atmosfere su questi Giove caldi”, ha detto Mansfield. “Possiamo usare lo spettro che osserviamo per ottenere informazioni sulla composizione dell’atmosfera e possiamo anche ottenere informazioni su come appare la struttura dell’atmosfera”.

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Il team ha fatto un ulteriore passo avanti quantificando i dati osservativi e confrontandoli con i modelli, sviluppati da Line, dei processi fisici che si ritiene siano all’opera nelle atmosfere dei Giove caldi. I due set si sono abbinati molto bene, confermando che molte previsioni sulla natura dei pianeti basate sul lavoro teorico sembrano essere corrette, secondo Mansfield, che ha affermato che i risultati sono “emozionanti perché erano tutt’altro che garantiti”.

I risultati suggeriscono anche che tutti i Giove caldi, non solo i 19 inclusi nello studio, possono contenere gruppi simili di molecole, come acqua e monossido di carbonio, insieme a quantità minori di altre molecole. Le differenze tra i singoli pianeti dovrebbero ammontare principalmente a quantità relative variabili di queste molecole. I risultati hanno anche rivelato che le caratteristiche di assorbimento dell’acqua osservate variavano leggermente da un Giove caldo all’altro.

“Presi insieme, i nostri risultati ci dicono che ci sono buone possibilità di capire gli elementi del quadro generale che stanno accadendo nella chimica di questi pianeti”, ha detto Mansfield. “Allo stesso tempo, ogni pianeta ha la sua composizione chimica e questo influenza anche ciò che vediamo nelle nostre osservazioni”.

Il coautore Line ha dichiarato: “Negli ultimi dieci anni ci sono state molte scoperte entusiasmanti e inaspettate riguardo alle calde atmosfere di questi esopianeti. La cosa bella di questa indagine è che forse questi mondi non sono così esotici come ci aspettavamo inizialmente; sembrano ben in linea con le previsioni del nostro modello”.

Secondo gli autori, i risultati possono essere utilizzati per guidare le aspettative su ciò che gli astronomi potrebbero essere in grado di vedere guardando un Giove caldo che non è stato studiato prima. Il lancio del nuovo telescopio di punta della NASA, il James Webb Space Telescope (JWST), ha entusiasmato i cacciatori di esopianeti poiché Webb può vedere in una gamma molto più ampia di luce infrarossa, e consentirà uno sguardo molto più dettagliato sugli esopianeti, compresi i Giove caldi.

“Ci sono ancora molte cose che non sappiamo su come si formano i pianeti in generale, e uno dei modi in cui cerchiamo di capire come potrebbe accadere è osservare le atmosfere di questi Giove caldi”, ha detto Mansfield.

“Con i dati di Hubble, possiamo osservare le tendenze studiando l’assorbimento d’acqua, ma quando parliamo della composizione dell’atmosfera nel suo insieme, ci sono molte altre molecole importanti che si desidera esaminare, come il monossido di carbonio e l’anidride carbonica, e JWST ci darà la possibilità di osservare effettivamente anche quelli”.

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