Una simulazione della nana rossa LHS 3844 osservata dalla superficie dell’esopianeta LHS 3844b [Michele Diodati / Space Engine]

Una Terra riarsa senza atmosfera

Può un pianeta roccioso simile alla Terra conservare la propria atmosfera orbitando a poca distanza da una nana rossa? Sembra di no, stando ai risultati delle recenti osservazioni compiute con il telescopio spaziale Spitzer sull’esopianeta LHS 3844b

Nella piccola costellazione meridionale dell’Indiano (Indus in latino) c’è una nana rossa invisibile a occhio nudo, molto interessante per la ricerca di esopianeti. Si chiama LHS 3844 e, grazie a studi fotometrici e spettroscopici eseguiti con vari telescopi, possediamo una carta d’identità piuttosto completa delle sue caratteristiche: appartiene alla classe spettrale M5, ha massa pari al 15,1% di quella del Sole, il raggio è di 131.500 km (il 18,9% del raggio solare), la temperatura effettiva è di 3.036 K, cioè circa 2.750 gradi meno della fotosfera solare; la luminosità è solo 2,7 millesimi di quella del Sole, il periodo di rotazione è di 128 giorni.

Il satellite Gaia ha misurato per questa stella un angolo di parallasse di 67,16 millesimi di secondo d’arco, corrispondente a una distanza di 48,57 anni luce: sono poco meno di 460.000 miliardi di chilometri dalla Terra, se ve lo steste chiedendo. Troppo lontano per qualsiasi esplorazione diretta, ma non per la ricerca di esopianeti attraverso i metodi del transito e della velocità radiale. Le nane rosse, infatti, soprattutto se relativamente vicine, sono bersagli ideali — per via del raggio e della massa ridotti — per studi fotometrici e spettroscopici, tesi a verificare se vi sono pianeti che passano periodicamente davanti al disco stellare o che lasciano tracce della loro attrazione gravitazionale sulla velocità radiale della stella.

La stella arancione al centro dell’immagine, tratta dalla Digitized Sky Survey 2, è la nana rossa LHS 3844. Il riquadro misura approssimativamente 11 × 9 minuti d’arco

Proprio per via di tali promettenti caratteristiche, LHS 3844 fu inserita nel catalogo degli oggetti prioritari da monitorare nel corso della missione del telescopio spaziale TESS della NASA, lanciato il 18 aprile 2018. E la scelta fu ben presto ripagata. Già nel primo mese di osservazioni scientifiche, le curve di luce acquisite da TESS permisero di scoprire i transiti di un pianeta poco più grande della Terra, in orbita strettissima intorno alla nana rossa. Dall’analisi dei transiti risultò che il pianeta, chiamato in base alle regole di nomenclatura in uso LHS 3844b, ha un raggio di 8.420 km (1,32 volte il raggio terrestre) e un periodo orbitale di appena 11 ore e 6 minuti.

Un periodo così breve indica che il pianeta orbita a pochissima distanza dalla sua stella. I due corpi sono separati precisamente da 7,1 raggi stellari, cioè da poco più di 930.000 km: ciò vuol dire che LHS 3844b dista dalla nana rossa appena 1/160 di un’unità astronomica (la distanza media tra la Terra e il Sole). La stella, benché molto più fredda del Sole, è così vicina al pianeta da irradiarlo con un’enorme energia: i calcoli indicano che la nana rossa riversa su LHS 3844b 95.400 watt per metro quadro, un’irradiazione 70 volte maggiore dei 1.361 W/m² misurati alla sommità dell’atmosfera terrestre.

Una simulazione di un transito di LHS 3844b davanti al disco stellare [Michele Diodati / Space Engine]

Data la nitidezza e la frequenza dei suoi transiti davanti al disco stellare, fu chiaro fin da subito che questo nuovo pianeta sarebbe stato un candidato ideale per successivi studi mirati a verificare se possiede un’atmosfera. Per gli scienziati planetari si tratta di un problema di grande importanza. Le nane rosse sono di gran lunga le stelle più numerose della galassia e sappiamo ormai che molte di esse possiedono pianeti in orbita ristretta. Che fine fa l’atmosfera di un pianeta di dimensioni simili alla Terra come LHS 3844b, sotto il bombardamento di radiazione proveniente da una vicinissima nana rossa? Ci sono al momento varie teorie al riguardo, ma pochissimi dati osservativi.

Il fatto è che non possediamo per ora telescopi in grado di vedere direttamente pianeti così piccoli e così vicini alla loro stella. La loro eventuale atmosfera si può studiare perciò solo in modo indiretto, analizzando come cambia la luce della stella durante l’intera fase orbitale del pianeta, che comprende due momenti cruciali: il transito davanti al disco stellare e una piccola eclissi secondaria, causata dall’occultazione del pianeta da parte della stella, quando esso passa alle sue spalle rispetto al nostro punto di osservazione.

In sostanza, puntando la stella con un telescopio sensibile alla luce infrarossa durante l’intero ciclo orbitale del pianeta, è possibile separare l’emissione di radiazione proveniente dalla stella da quella, molto più piccola, proveniente dal pianeta. Ciò permette di ricavare una mappa della radiazione termica emessa dalla superficie del pianeta.

Un’infografica della NASA che illustra il tipo di misurazione che è stata compiuta con la camera a infrarossi del telescopio spaziale Spitzer. L’orbita del pianeta LHS 3844b intorno alla sua stella è stata suddivisa in 12 fasi. Nella parte inferiore dell’immagine c’è un grafico che mostra la curva di luce registrata dal telescopio durante un intero ciclo orbitale. La curva di luce segue l’andamento della radiazione infrarossa combinata della stella e del pianeta, con le variazioni che riflettono le differenti fasi orbitali (indicate dai numeri). Come si può notare, in corrispondenza del transito del pianeta davanti alla stella (numero 3) c’è il calo maggiore di luminosità. Al punto 9 c’è un calo di luminosità secondario, corrispondente all’occultazione del pianeta da parte della stella. La differenza di luminosità tra i picchi intorno ai punti 8 e 10 e il calo del punto 9 dovuto all’occultazione fornisce ai ricercatori l’informazione sulla temperatura dell’emisfero del pianeta esposto alla radiazione stellare [NASA/JPL-Caltech/L. Kreidberg]

L’assunto alla base di questa ricerca è piuttosto semplice: in un pianeta dotato di atmosfera, si presume che i venti redistribuiscano più o meno globalmente il calore emesso dalla superficie esposta alla radiazione stellare. Un indizio della presenza di un’atmosfera e di venti è, per esempio, il fatto che il punto da cui proviene il picco massimo di radiazione termica emesso dalla superficie del pianeta è sfalsato rispetto alla posizione del punto substellare (il luogo da cui la stella si vede allo zenit). Invece, in un pianeta privo di atmosfera, la mappa della radiazione termica mostra una dipendenza lineare dall’esposizione all’irradiazione stellare: il massimo del calore proviene dal punto substellare, mentre l’emisfero opposto è completamente freddo (pianeti così vicini alla loro stella come LHS 3844b sono bloccati in rotazione sincrona: hanno un’emisfero perennemente irradiato e l’altro eternamente al buio).

Una simile ricerca è stato compiuta nel corso del 2019, usando il telescopio spaziale Spitzer della NASA per osservare più cicli orbitali di LHS 3844b. I risultati sono stati pubblicati il 19 agosto su Nature, in un articolo che ha come prima autrice l’astrofisica Laura Kreidberg del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Probabilmente LHS 3844b ha un aspetto simile a quello della nostra Luna [Michele Diodati / Space Engine]

Il bersaglio è stato monitorato per oltre 100 ore con la InfraRed Array Camera (IRAC) di Spitzer, nei giorni tra il 4 e l’8 febbraio 2019. Il quadro emerso dalle osservazioni è abbastanza chiaro. La mappa termica di LHS 3844b mostra che il picco di temperatura si ha in corrispondenza del punto substellare, dove l’irradiazione stellare è massima. I dati ottenuti da Spitzer sono compatibili con una temperatura dell’emisfero diurno di 1.040 K (cioè 767 °C), mentre l’emisfero notturno ha una temperatura tendente approssimativamente a 0 K. Su LHS 3844b non c’è insomma alcuna redistribuzione del calore ascrivibile alla circolazione di venti. Ciò porta a escludere che il pianeta possieda un’atmosfera spessa, con pressione superiore a quella terrestre. Se c’è un’atmosfera, questa deve essere molto tenue e non capace di redistribuire significativamente il calore.

La mappa termica della superficie di LHS 3844b ricavata dalle osservazioni compiute con il telescopio spaziale Spitzer. La massima temperatura corrisponde al punto substellare (latitudine 0°, longitudine 0°) [L. Kreidberg et al., Nature 1476–4687 (2019)]

Ma anche la presenza di un’atmosfera tenue risulta alquanto problematica, perché la radiazione ultravioletta emessa dalla vicinissima nana rossa tende a fotodissociare le molecole dei gas atmosferici: questo processo, protratto per miliardi di anni, può aver completamente eroso la superstite atmosfera del pianeta. Insomma, con molta probabilità, LHS 3844b è una nuda roccia con un emisfero perennemente infuocato e l’altro spaventosamente freddo. I dati ricavati da Spitzer indicano, inoltre, che la superficie del pianeta è scurissima e poco riflettente, di un colore che ricorda quello delle rocce di Mercurio o dei mari della Luna. Sono dati compatibili con una struttura superficiale composta da rocce basaltiche, come è appunto quella dei mari lunari.

Se potessimo osservarlo da vicino, LHS 3844b ci apparirebbe probabilmente come un fratello maggiore della nostra Luna, sottoposto a un continuo bagno di luce e di calore.

Una simulazione dell’esopianeta LHS 3844b, sferzato dalla violenta radiazione della vicinissima stella [Michele Diodati / Space Engine]

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