An Extended Escaping Tail of Hydrogen and Helium in a Potential Super-Earth Progenitor
Utilizzando osservazioni JWST/NIRISS SOSS, i ricercatori hanno rilevato una coda estesa e in fuga di idrogeno ed elio dal potenziale progenitore di una super-Terra di 23 milioni di anni, V1298 Tau c, fornendo una prova empirica diretta della rapida perdita di massa atmosferica che modella l'evoluzione dei pianeti giovani.
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La maggior parte dei pianeti nella nostra galassia non è composta da mondi rocciosi come la Terra o da giganti gassosi massicci come Giove. Invece, rientrano in una categoria intermedia: pianeti leggermente più grandi della Terra, spesso chiamati super-Terre, o mondi con atmosfere dense e gonfie noti come sub-Nettuno. Per anni, gli astronomi si sono chiesti come questi due gruppi siano giunti a essere così diversi. Un'idea principale suggerisce che molti di questi pianeti siano nati come "nani gassosi": nuclei rocciosi avvolti in spessi mantelli di idrogeno ed elio. Nel tempo, l'intensa radiazione delle loro stelle ospiti potrebbe aver rimosso questi rivestimenti gassosi, lasciando dietro di sé i nuclei rocciosi nudi che vediamo oggi. Tuttavia, questo processo è difficile da studiare perché avviene nell'arco di milioni di anni, e noi di solito vediamo i pianeti solo dopo che la rimozione è terminata. Per capire davvero come queste atmosfere svaniscano, gli scienziati devono sorprendere un pianeta nel mezzo dell'atto di perdere il proprio gas, un momento che richiede l'osservazione di un mondo molto giovane mentre si trova nelle prime fasi della sua vita.
Un team di astronomi ha fatto esattamente questo, utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb per osservare un giovane pianeta chiamato V1298 Tau c. Questo mondo ha solo 23 milioni di anni, un infante rispetto ai termini cosmici, e orbita attorno a una stella che è altrettanto giovane. Il pianeta è attualmente circa cinque volte più largo della Terra e ha una massa circa cinque volte quella del nostro pianeta natale. Puntando il telescopio verso questo sistema, i ricercatori sono stati in grado di osservare il pianeta passare davanti alla sua stella e analizzare la luce stellare che filtra attraverso l'atmosfera del pianeta. Ciò che hanno trovato è stata una scena drammatica di perdita atmosferica. Invece di un guscio di gas sferico e ordinato che circonda il pianeta, hanno rilevato una massiccia coda allungata di idrogeno ed elio in fuga che si estende molto dietro il pianeta, trascinandosi come la scia di una barca che si muove nell'acqua.
I ricercatori hanno utilizzato uno strumento speciale sul telescopio capace di vedere la luce nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso, il che ha permesso loro di rilevare specifici impronte chimiche nel gas in fuga. Cercavano tre segnali diversi simultaneamente: un tipo specifico di atomo di elio eccitato dalla luce stellare e due diverse forme di idrogeno che brillano quando vengono energizzate. Tutti e tre i segnali mostravano un profondo calo della luce stellare mentre il pianeta attraversava la stella, ma la tempistica di questi cali ha raccontato una storia sorprendente. I segnali dell'elio e di un tipo di idrogeno hanno iniziato a scendere nello stesso momento in cui il corpo solido del pianeta ha iniziato a bloccare la stella, ma non sono tornati ai livelli normali fino a ore dopo che il pianeta aveva terminato l'attraversamento. Questo ritardo ha dimostrato che il gas non stava solo abbracciando il pianeta; stava scorrendo via in una lunga coda che si trascina dietro, estendendosi decine di volte la larghezza del pianeta stesso.
Questa osservazione fornisce la prima prova simultanea di una tale coda estesa utilizzando diversi tipi di gas. La presenza di questi specifici segnali di idrogeno così lontani dalla superficie del pianeta indica che il gas sta uscendo con una velocità e una densità incredibili. I ricercatori hanno calcolato che il pianeta sta perdendo massa a un tasso superiore a 300 trilioni di grammi al secondo. Per mettere questo in prospettiva, si tratta di un tasso così elevato che, se continuasse, il pianeta perderebbe il suo intero involucro gassoso in soli i prossimi dieci milioni di anni, trasformandosi da un gonfio nano gassoso in una nuda super-Terra rocciosa. I dati suggeriscono anche che il gas in fuga non sia una miscela perfetta di idrogeno ed elio; sembra che stia perdendo elio a un ritmo diverso rispetto all'idrogeno, risultando in una miscela più povera di elio rispetto al sole.
Lo studio aiuta anche a risolvere un lungo dibattito su come queste atmosfere vengano perse. Esistono due teorie principali: una suggerisce che l'alta energia della radiazione stellare soffi via l'atmosfera come un vento, mentre l'altra suggerisce che il calore proveniente dall'interno del pianeta stesso guidi la fuoriuscita del gas. Le osservazioni di V1298 Tau c sono coerenti con entrambe le idee, ma l'intensità della perdita di massa propende leggermente verso l'idea che il calore interno del pianeta stia giocando un ruolo fondamentale nel guidare questa estrema fuga. Catturando questo giovane pianeta nel pieno dell'azione, i ricercatori hanno fornito un'istantanea cruciale dell'evoluzione planetaria. Hanno dimostrato che la transizione da un mondo ricco di gas a uno roccioso non è un lento e silenzioso declino, ma un evento violento e rapido in cui il pianeta si spoglia della sua atmosfera primordiale in uno spettacolare display simile a quello di una cometa. Questa singola osservazione funge da punto di riferimento per comprendere come i pianeti più comuni della galassia perdano le loro atmosfere e cosa diventeranno alla fine.
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