Pianeta in dissolvimento: l'atmosfera di GJ 3470b sta scomparendo

Un mondo in dissolvimento osservato nell'ultravioletto

Per gli astronomi che osservano nell'ultravioletto, un mondo delle dimensioni di Nettuno a circa 96 anni luce di distanza appare meno come un pianeta e più come una cometa. Gli spettri del Hubble Space Telescope rivelano una vasta nube di idrogeno neutro che circonda GJ 3470b, espulsa dal pianeta e dispersa nello spazio; il segnale è così forte che i ricercatori stimano che il pianeta abbia già perso una frazione considerevole della sua massa originale e stia evaporando più velocemente di qualsiasi altro mondo paragonabile finora studiato.

Come è stato individuato il segnale

La scoperta deriva da osservazioni ripetute del transito di GJ 3470b davanti alla sua stella ospite, una nana rossa, effettuate nella riga Lyman-α dell'idrogeno come parte del programma Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET). I dati di Hubble mostrano un assorbimento profondo e ripetibile durante il transito: circa il 35% nell'ala blu della riga e il 23% nell'ala rossa, firme che indicano un involucro ampio e strutturato di idrogeno neutro che si estende ben oltre il lobo di Roche del pianeta. Queste misurazioni hanno permesso al team di modellare il materiale in fuga e inferire un tasso di perdita di idrogeno neutro contemporaneo nell'ordine di 10^10 grammi al secondo.

Fisica dell'evaporazione: riscaldamento, pressione di radiazione e limiti di Roche

I pianeti situati a breve distanza orbitale sono immersi nei raggi X e nella radiazione ultravioletta estrema (XUV) della loro stella. Tale energia riscalda l'atmosfera superiore, innescando un flusso idrodinamico: il gas si espande fino a quando le singole particelle sfuggono alla gravità del pianeta. Per GJ 3470b questo processo è amplificato dal fatto che il mondo ha una densità relativamente bassa e orbita attorno a una giovane e attiva nana di classe M, quindi la pressione di radiazione e il flusso ad alta energia della stella spingono l'idrogeno neutro a velocità elevate. Le simulazioni numeriche che combinano l'irraggiamento stellare osservato con la dinamica delle particelle riproducono le firme di assorbimento di Hubble e implicano che il pianeta stia perdendo materiale molto più velocemente dei "Nettuno caldi" misurati in precedenza.

La forma dell'esosfera fornisce indizi sulla dinamica

L'assorbimento di GJ 3470b è asimmetrico nella velocità, con componenti spostate sia verso il blu che verso il rosso. Questo schema — un'ala blu estesa che indica atomi accelerati lontano dalla stella e un'ala rossa coerente con un gas denso e a lento movimento — suggerisce la presenza di molteplici regioni nel flusso in uscita. L'analisi favorisce una termosfera ellissoidale e allungata che può estendersi per decine di raggi planetari davanti e dietro il pianeta, e potrebbe includere uno strato d'urto dove il gas planetario in uscita collide con il vento stellare. Sono questi dettagli geometrici che permettono agli astronomi di passare dalla semplice rilevazione di una nube a una stima della storia della perdita di massa.

Quanto materiale è già andato perduto e cosa riserva il futuro

Proiettando all'indietro il tasso di fuga inferto, sotto ragionevoli ipotesi sull'attività passata della stella, il team stima che GJ 3470b possa aver già perso tra il 4% e il 35% circa della sua attuale massa totale nel corso della sua vita di circa due miliardi di anni — e tale frazione potrebbe essere maggiore se la stella fosse stata drasticamente più luminosa nei raggi XUV durante la giovinezza. Una fuga continua a tassi medi comparabili potrebbe privare il pianeta di gran parte del suo involucro di idrogeno in pochi miliardi di anni, lasciando dietro di sé un nucleo roccioso molto più piccolo; un percorso evolutivo che potrebbe aiutare a spiegare perché si osservino così pochi pianeti delle dimensioni di Nettuno molto vicini alle loro stelle. I calcoli comportano tuttavia incertezze sostanziali: i tassi di perdita di massa dipendono dalla storia incerta dell'attività stellare, dalla composizione e dalla struttura termica dell'atmosfera e dalle interazioni con il vento stellare.

Contesto: il deserto dell'evaporazione e l'evoluzione della popolazione

Le indagini sugli esopianeti hanno notato da tempo una relativa scarsità di pianeti di dimensioni intermedie a brevi distanze orbitali — una caratteristica talvolta chiamata "deserto dell'evaporazione". Una spiegazione è che molti Nettuno caldi si siano formati con spessi involucri di idrogeno/elio, ma siano stati ridotti a super-Terre e mini-Nettuno da una prolungata fuga atmosferica. GJ 3470b si trova vicino al bordo di quel deserto e la sua vivida perdita in corso fornisce un esempio diretto e osservabile del meccanismo di erosione in azione. Il confronto tra GJ 3470b e il più noto Nettuno in evaporazione GJ 436b mostra che il comportamento della fuga può variare ampiamente tra pianeti simili a causa delle differenze di densità e dell'attività della stella ospite.

Sfide osservative e perché l'ultravioletto è fondamentale

Lo studio della fuga dell'idrogeno si affida alla spettroscopia ultravioletta, e ciò presenta un importante limite osservativo: il mezzo interstellare diffonde e assorbe la riga Lyman-α, quindi sono accessibili solo sistemi relativamente vicini — entro circa 150 anni luce e con linee di vista favorevoli. La capacità ultravioletta di Hubble è stata quindi essenziale, e l'approccio multi-epoca del programma PanCET ha reso possibile separare i segnali planetari dalla variabilità stellare e dagli effetti strumentali. Traccianti complementari, come l'elio osservato nell'infrarosso, aggirano alcune limitazioni della riga Lyman-α e sono accessibili a strumenti come il James Webb Space Telescope e spettrografi a terra tarati sulle righe dell'elio; tali osservazioni sono una priorità assoluta perché possono sondare regioni a velocità inferiore del flusso e aiutare a completare il bilancio della perdita di massa totale.

Domande aperte e prossimi passi

Nonostante la chiarezza del segnale di Hubble, rimangono incertezze chiave. Tradurre un tasso misurato di perdita di idrogeno neutro in una perdita di massa atmosferica totale richiede ipotesi sull'equilibrio di ionizzazione e sulla frazione di specie più pesanti trascinate nel flusso in uscita. La storia ad alta energia della stella — quanto fosse luminosa nei raggi XUV quando era giovane — domina le stime della perdita di massa integrata ed è vincolata solo indirettamente. In futuro, gli astronomi pianificano follow-up a più lunghezze d'onda: ricerche di elio nell'infrarosso, monitoraggio ultravioletto aggiuntivo per verificare la stabilità a lungo termine o cambiamenti legati all'attività stellare, e indagini comparative per ampliare il campione di Nettuno caldi osservati in Lyman-α. Insieme, queste osservazioni affineranno il ruolo dell'evaporazione nel modellare le popolazioni di esopianeti.

GJ 3470b è quindi sia un laboratorio che un monito: sotto l'influenza implacabile di una stella vicina, un mondo può lentamente trasformarsi in qualcosa di completamente diverso. Tale evoluzione — caotica, estesa e visibile se si sa dove guardare — potrebbe essere un capitolo comune nelle storie di vita di molti pianeti che orbitano attorno a stelle piccole e attive.

Fonti

• Astronomy & Astrophysics (articolo di ricerca: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Johns Hopkins University / Materiali stampa PanCET sulle osservazioni di Hubble di GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (supporto alla missione Hubble e documentazione del programma PanCET).