Perché i pianeti diventano più piccoli?

C’è stata una svolta nel caso dei pianeti mancanti.

Mentre le missioni di ricerca dei pianeti hanno scoperto migliaia di mondi in orbita attorno a stelle lontane, c’è una grave scarsità di esopianeti che misurano tra 1,5 e due volte il raggio della Terra. Questa è la via di mezzo tra le super-Terre rocciose e pianeti più grandi e avvolti da gas chiamati subnettuniani. Da quando hanno scoperto questo “gap di raggio ” nel 2017, gli scienziati hanno indagato sul motivo per cui ci sono così pochi corpi celesti di medie dimensioni.

Il nuovo indizio è nato da un nuovo modo di guardare i dati. 

Un team di ricercatori guidato da Trevor David del Flatiron Institute ha studiato se il divario del raggio cambia con l’invecchiamento dei pianeti. Hanno diviso gli esopianeti in due gruppi, giovani e vecchi, e hanno rivalutato il divario. Hanno scoperto che i raggi dei pianeta meno comuni del gruppo più giovane erano in media più piccoli di quelli meno comuni del gruppo più vecchio. Mentre la dimensione più scarsa per i pianeti più giovani è circa 1,6 volte il raggio della Terra, è circa 1,8 volte il raggio della Terra in età più avanzata.

L’implicazione, suggeriscono i ricercatori, è che alcuni subnettuniani si riducono drasticamente nel corso di miliardi di anni mentre le loro atmosfere si disperdono, lasciando dietro di sé solo un nucleo solido. 

Perdendo il loro gas, i subnettuniani “diminuiscono” il raggio del pianeta e diventano super-Terre. Col passare del tempo, il divario del raggio si sposta man mano che i subnettuniani sempre più grandi fanno il salto, trasformandosi in super-Terre sempre più grandi. Il divario, in altre parole, è il divario tra le super-Terre di dimensioni più grandi e i subnettuniani di dimensioni più piccole che possono ancora conservare la loro atmosfera. I ricercatori riportano i loro risultati il ​​14 maggio su The Astronomical Journal.

“Il punto fondamentale è che i pianeti non sono le sfere statiche di rocce e gas come a volte tendiamo a pensarli“, dice David, ricercatore presso il Center for Computational Astrophysics (CCA) del Flatiron Institute di New York City. In alcuni modelli di perdita di atmosfera proposti in precedenza, “alcuni di questi pianeti erano 10 volte più grandi all’inizio della loro vita“.

I risultati danno credito a due sospetti precedentemente proposti nel caso: il calore residuo dalla formazione planetaria e l’intensa radiazione dalle stelle che li ospitano. Entrambi i fenomeni aggiungono energia all’atmosfera di un pianeta, provocando la fuga di gas nello spazio. “Probabilmente entrambi gli effetti sono importanti“, dice David, “ma avremo bisogno di modelli più sofisticati per dire quanto ciascuno di essi contribuisce e quando” nel ciclo di vita del pianeta.

I coautori del documento includono la ricercatrice CCA Gabriella Contardo, la ricercatrice associata del CCA Ruth Angus, la ricercatrice associata del CCA Megan Bedell, il ricercatore associato del CCA Daniel Foreman-Mackey e il ricercatore ospite del CCA Samuel Grunblatt.

Il divario del raggio è evidente intorno al doppio del raggio terrestre, sebbene dipenda dai periodi orbitali dei pianeti. Le prove suggeriscono che il divario si sposta nel tempo quando i pianeti subnettuniani avvolti dal gas perdono la loro atmosfera, lasciandosi dietro una solida super-Terra. 

Il nuovo studio ha utilizzato i dati raccolti dalla sonda Kepler, che misurava la luce di stelle lontane. Quando un esopianeta si sposta tra una stella e la Terra, la luce osservata dalla stella si attenua. Analizzando la velocità con cui il pianeta orbita attorno alla sua stella, le dimensioni della stella e l’entità dell’oscuramento, gli astronomi possono stimare le dimensioni dell’esopianeta. Alla fine queste analisi hanno portato alla scoperta del gap del raggio.

Gli scienziati hanno precedentemente proposto alcuni potenziali meccanismi per la creazione del divario, con ogni processo che si svolge su una scala temporale diversa. Alcuni credevano che il divario si verificasse durante la formazione planetaria quando alcuni pianeti si formano senza abbastanza gas nelle vicinanze per gonfiare le loro dimensioni. 

In questo scenario, il raggio del pianeta, e quindi il divario del raggio, sarebbe stabilito alla nascita. Un’altra ipotesi era che le collisioni con le rocce spaziali potessero spazzare via la densa atmosfera di un pianeta, impedendo ai pianeti più piccoli di accumulare molto gas. Questo meccanismo di impatto richiederebbe da circa 10 milioni a 100 milioni di anni.

Altri potenziali meccanismi richiedono più tempo. Una proposta è che i raggi X intensi e le radiazioni ultraviolette della stella ospite di un pianeta eliminino il gas nel tempo. Questo processo, chiamato fotoevaporazione, richiederebbe meno di 100 milioni di anni per la maggior parte dei pianeti, ma potrebbe richiedere miliardi di anni per alcuni. 

Un altro suggerimento è che il calore residuo dalla formazione di un pianeta aggiunge lentamente energia all’atmosfera del pianeta, facendo sì che il gas fuoriesca nello spazio per miliardi di anni.

David ed i suoi colleghi hanno iniziato la loro indagine esaminando più da vicino il divario stesso. Misurare le dimensioni di stelle ed esopianeti può essere complicato, quindi hanno ripulito i dati per includere solo pianeti i cui diametri erano noti con sicurezza. Questa elaborazione dei dati ha rivelato un vuoto più vuoto di quanto si pensasse.

I ricercatori hanno quindi ordinato i pianeti in base al fatto che fossero più giovani o più vecchi di 2 miliardi di anni (la Terra, per confronto, ha 4,5 miliardi di anni). Poiché una stella ed i suoi pianeti si formano simultaneamente, hanno determinato l’età di ogni pianeta in base all’età della sua stella.

I risultati suggeriscono che i subnettuniani più piccoli non sono in grado di trattenere il loro gas. Nel corso di miliardi di anni, il gas fugge nello spazio, lasciandosi dietro una super-Terra per lo più solida. Questo processo richiede più tempo per i mini-Nettuno più grandi, che diventano le più grandi super-Terre, ma non avrà alcun impatto sui pianeti gassosi più giganteschi, la cui gravità è abbastanza forte da trattenere le loro atmosfere.

Il fatto che il divario del raggio si evolva nel corso di miliardi di anni suggerisce che la responsabilità non sia delle collisioni planetarie o una stranezza intrinseca della formazione planetaria. 

Il calore residuo dall’interno dei pianeti che gradualmente strappa via l’atmosfera è un buon adattamento, dice David, ma anche le intense radiazioni delle stelle madri potrebbero contribuire, soprattutto all’inizio. 

Il prossimo passo è che gli scienziati modellino meglio come si evolvono i pianeti per scoprire quale spiegazione gioca un ruolo più importante. Ciò potrebbe significare considerare ulteriori complessità come le interazioni tra atmosfere e campi magnetici planetari o oceani di magma.