La nuova era dell’esplorazione degli esopianeti inizia con lo studio “straordinario” del JWST su WASP

Gli studi sull'atmosfera di un esopianeta effettuati con gli strumenti del telescopio spaziale James Webb hanno rivelato il rilevamento di nuove molecole e strutture nuvolose.

In una serie di studi articolati in cinque articoli, un grande team internazionale che comprende ricercatori dell’Imperial College di Londra ha dimostrato la potenza del James Webb Space Telescope (JWST) per lo studio degli esopianeti.

Il telescopio è stato utilizzato per studiare l’atmosfera dell’esopianeta WASP-39b, un pianeta gigante gassoso in orbita attorno a una stella a 700 anni luce di distanza. WASP-39b è estremamente “gonfio”: ha un raggio leggermente più grande di Giove, ma meno della metà della massa. Ciò significa che c’è molta atmosfera in cui i ricercatori possono studiare.

Il JWST, lanciato il giorno di Natale 2021, conduce astronomia a infrarossi ed è il successore del telescopio spaziale Hubble. Trasporta diversi tipi di strumenti di rilevamento, tra cui il Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec), la Near InfraRed Camera (NIRCam) e il Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), che sono stati utilizzati per i nuovi studi.

Le misurazioni di WASP-39b vengono effettuate quando il pianeta passa davanti alla sua stella, con la luce stellare che brilla attraverso la sua atmosfera fornendo agli strumenti molti dettagli sulla composizione chimica e sulla struttura dell'atmosfera.

Nell'agosto 2022, è stato annunciato che uno degli strumenti aveva rilevato l'anidride carbonica nell'atmosfera di WASP-39b, la prima volta che questa molecola era stata rilevata nell'atmosfera di un esopianeta. I nuovi dati, raccolti attraverso un’intera suite di strumenti, rivelano anche il primo rilevamento di monossido di carbonio nell’atmosfera di WASP-39b, nonché il primo rilevamento di anidride solforosa nell’atmosfera di qualsiasi esopianeta.

Il team ha scoperto che l’anidride solforosa è prodotta dalla fotochimica, ovvero reazioni chimiche catalizzate dalla luce delle stelle. Questa è la prima volta che un sottoprodotto fotochimico viene rilevato su un pianeta extrasolare. La fotochimica è fondamentale per la vita sulla Terra, dalla produzione di ozono nell'alta atmosfera alla fotosintesi nelle piante e nelle alghe fino alla produzione di vitamina D nella nostra pelle.

Il processo utilizzato per identificare queste nuove molecole, insieme all’acqua, al sodio e al potassio scoperti in precedenza, offre anche ai ricercatori una prima occhiata ai rapporti di abbondanza degli elementi, che confrontano la proporzione di due elementi.

Queste misure, come i rapporti carbonio-ossigeno e potassio-ossigeno, possono fornire ai ricercatori informazioni su come il pianeta si è formato dal disco di gas e polvere che circondava la stella madre nei suoi anni più giovani.

Gli studi rivelano anche prove di una copertura nuvolosa non uniforme nell’atmosfera di WASP-39b, potenzialmente in modo simile alle nuvole su Saturno e Giove.

I nuovi articoli sono stati condotti dagli studenti di dottorato Zafar Rustamkulov presso la Johns Hopkins University, Lili Alderson presso l’Università di Bristol, Eva-Maria Ahrer presso l’Università di Warwick, Adina Feinstein presso l’Università di Chicago e Shang-Min Tsai presso l’Università di Oxford.

Il dottor James Kirk dell'Imperial College di Londra, del Dipartimento di Fisica, è stato un membro chiave del team NIRSpec PRISM, fornendo analisi indipendenti dei dati utilizzando un software da lui stesso scritto.

Lo strumento funziona misurando la luminosità della stella mentre cambia nel tempo in cui il pianeta le passa davanti. Ciò si traduce in circa 21.500 misurazioni in un periodo di otto ore. Il software del dottor Kirk adatta queste misurazioni della luminosità con modelli planetari per generare uno spettro di luce e rivelare gli atomi e le molecole presenti nell'atmosfera del pianeta.

In questo modo fu uno dei primi a produrre risultati sulla composizione atmosferica del pianeta. Ha detto: “Sono rimasto sbalordito quando ho visto per la prima volta lo spettro del pianeta. Sapevo che avevamo qualcosa di straordinario, in termini di livello di struttura dello spettro e di precisione raggiunta.

“Il livello di dettaglio fornito da JWST è rivoluzionario. È incredibilmente emozionante pensare che siamo solo agli albori dell’era JWST”.