A Scale-Height Estimate of the Mean Molecular Weight of K2-18 b from JWST NIRISS SOSS and NIRSpec G395H Transmission Spectra

Nel vasto catalogo di mondi che orbitano attorno ad altre stelle, alcuni si distinguono non solo per le loro dimensioni o la loro distanza, ma per la possibilità che possano ospitare condizioni adatte alla vita. Tra questi c'è K2-18 b, un pianeta largo circa il doppio della Terra, che orbita attorno a una debole stella rossa all'interno di una regione dove l'acqua liquida potrebbe teoricamente esistere su una superficie. Gli astronomi sono da tempo affascinati da questo mondo perché si colloca in una zona grigia tra un pianeta roccioso e un gigante gassoso. È abbastanza grande da contenere un'atmosfera densa, ma abbastanza piccolo da poter possedere una superficie solida sotto le nuvole. Il mistero centrale è la natura di quella atmosfera. È un involucro leggero e soffice di idrogeno ed elio, simile a un gigante gassoso in miniatura? O è uno strato di gas pesante e denso come l'anidride carbonica e l'azoto, più simile all'aria densa di Venere o all'aria sottile di Marte? La risposta determina se il pianeta sia un mondo "Icean" con un oceano globale sotto un cielo di idrogeno, o un tipo di ambiente esotico completamente diverso. Per risolvere questo enigma, gli scienziati osservano come la luce stellare filtra attraverso l'atmosfera del pianeta mentre questo passa davanti alla sua stella, cercando le impronte chimiche dei gas presenti e misurando quanto l'atmosfera faccia gonfiare le dimensioni apparenti del pianeta.

Uno studio recente di Muhammad Ibraheem offre una nuova prospettiva sui dati raccolti dal Telescopio Spaziale James Webb per affrontare proprio questa domanda sull'indice di peso dell'atmosfera. Il ricercatore non ha tentato di costruire un complesso modello informatico per simulare ogni dettaglio del meteo o della chimica del pianeta. Invece, il lavoro si concentra su una misurazione più semplice e diretta: l'altezza della "pelle" dell'atmosfera. Quando un pianeta passa davanti alla sua stella, l'atmosfera assorbe parte della luce stellare, facendo apparire il pianeta leggermente più grande in certi colori rispetto ad altri. La differenza di dimensione tra la parte più profonda di una caratteristica di assorbimento e la linea di base circostante dice agli scienziati quanto l'atmosfera si estenda. Questa distanza verticale è nota come altezza di scala. Misurando quanto l'atmosfera si gonfia alle lunghezze d'onda dove il metano e l'anidride carbonica assorbono la luce, si può risalire all'indietro per trovare il peso medio delle molecole che compongono quell'aria. Le molecole più leggere creano un'atmosfera più gonfia ed estesa, mentre le molecole più pesanti ne creano una più stretta e compressa.

Ibraheem ha analizzato i dati grezzi di due strumenti del telescopio spaziale, precedentemente utilizzati per rilevare metano e anidride carbonica su K2-18 b. Lo studio si è concentrato su sei bande specifiche di luce dove questi gas sono noti per assorbire energia. Confrontando la profondità dell'ombra del pianeta a questi colori specifici rispetto ai colori vicini dove l'atmosfera è trasparente, il ricercatore ha misurato un eccesso di profondità di 56,1 parti per milione. Questa minuscola differenza, equivalente allo spessore di un capello umano visto da un miglio di distanza, rappresenta l'estensione fisica delle caratteristiche atmosferiche. Il ricercatore ha poi convertito questa misurazione in un'altezza di scala, che descrive lo spessore verticale dell'atmosfera, e l'ha utilizzata per calcolare il peso molecolare medio. Questo calcolo non è un numero singolo, ma un intervallo che dipende fortemente dalla temperatura dell'atmosfera e da un'ipotesi su quante altezze di scala rappresentino le caratteristiche osservate.

I risultati mostrano che il peso molecolare medio dell'atmosfera si colloca tra 2,0 e 5,3, a seconda delle ipotesi fatte sulla temperatura e sulla struttura dell'atmosfera. Se l'atmosfera è relativamente fredda, tra 120 e 160 Kelvin, il peso calcolato è compreso tra 2,0 e 3,3. Questo intervallo è significativo perché si sovrappone al peso di un'atmosfera ricca di idrogeno, che sarebbe intorno a 2,3, ma raggiunge anche il territorio di atmosfere più pesanti e arricchite. I dati sono coerenti sia con un mondo leggero dominato dall'idrogeno, sia con un'atmosfera più pesante e complessa. Fondamentalmente, lo studio rileva che il risultato non è guidato dal rumore di misurazione o da un singolo rilevamento controverso. Anche se il segnale dell'anidride carbonica venisse rimosso dall'analisi, la conclusione rimane la stessa. L'incertezza nella risposta finale non deriva dalla qualità dei dati del telescopio, ma dalla temperatura sconosciuta dell'atmosfera e dalla difficoltà di sapere esattamente quanti strati di atmosfera vengono sondati.

Il documento evita esplicitamente di affermare che il pianeta sia sicuramente un mondo Icean o un mini-Netun. Sebbene i risultati permettano un involucro ricco di idrogeno, essi non escludono un'atmosfera più pesante, né forniscono prove sufficienti per distinguere tra un pianeta con un oceano liquido e uno con una superficie di magma. Il ricercatore osserva che i dati attuali non possono separare queste possibilità perché entrambi gli scenari possono produrre un peso atmosferico simile. Inoltre, lo studio evidenzia che i dibattiti precedenti sulla presenza di certi gas, come il dimetilsolfuro, non sono risolti da questa specifica misurazione. Il lavoro funge da stima chiara e diretta che conferma che l'atmosfera possiede caratteristiche coerenti con un gas leggero, ma lascia aperta la porta a composizioni più pesanti. Sottolinea che, sebbene il Telescopio Spaziale James Webb abbia fornito misurazioni incredibilmente precise, la vera natura dell'atmosfera di K2-18 b rimane una questione di temperatura e struttura che richiede ulteriori osservazioni e una modellazione più profonda per essere risposta definitivamente.