Un team internazionale di ricercatori ha scoperto che le variazioni di luminosità precedentemente osservate in un oggetto di massa planetaria libero, noto come SIMP 0136, devono essere il risultato di una combinazione complessa di fattori atmosferici e non possono essere spiegate solamente dalla presenza di nubi.
Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb (NASA/ESA/CSA) per monitorare un ampio spettro di luce infrarossa emessa da SIMP 0136 durante due interi periodi di rotazione, il team è stato in grado di rilevare variazioni negli strati nuvolosi, nella temperatura e nella chimica del carbonio, elementi che in precedenza erano nascosti alla vista. I risultati forniscono preziose informazioni sulla complessità tridimensionale delle atmosfere dei giganti gassosi, sia all’interno che al di fuori del nostro sistema solare.
Rotazione rapida e movimento libero nello spazio
SIMP 0136 è un oggetto a rotazione rapida e privo di un’orbita attorno a una stella. Ha una massa di circa 13 volte quella di Giove e si trova nella Via Lattea, a soli 20 anni luce dalla Terra. Sebbene non sia classificato come un esopianeta gigante gassoso—dato che non orbita attorno a una stella e potrebbe essere una nana bruna—SIMP 0136 è un bersaglio ideale per lo studio della meteorologia esoplanetaria. Infatti, è l’oggetto più luminoso della sua categoria nell’emisfero nord del cielo. La sua natura isolata consente osservazioni dirette senza il rischio di contaminazione luminosa o di variazioni causate da una stella ospite. Inoltre, il suo breve periodo di rotazione di appena 2,4 ore permette un’analisi efficiente.
Prima delle osservazioni con Webb, SIMP 0136 era già stato ampiamente studiato utilizzando osservatori terrestri, nonché i telescopi spaziali Spitzer della NASA e Hubble (NASA/ESA).
“Sapevamo già che la sua luminosità variava e avevamo la certezza che vi fossero strati nuvolosi irregolari che ruotano dentro e fuori dal campo visivo, evolvendosi nel tempo”, ha spiegato Allison McCarthy, dottoranda presso la Boston University e prima autrice dello studio pubblicato oggi su The Astrophysical Journal Letters. “Sospettavamo anche che ci potessero essere variazioni di temperatura, reazioni chimiche e forse persino alcuni effetti legati all’attività aurorale che influenzano la luminosità, ma non ne eravamo certi.”
Per ottenere risposte definitive, il team aveva bisogno della capacità di Webb di misurare con estrema precisione i cambiamenti di luminosità su un’ampia gamma di lunghezze d’onda.
Mappando migliaia di “arcobaleni” nell’infrarosso
Utilizzando lo strumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), Webb ha catturato migliaia di spettri individuali compresi tra 0,6 e 5,3 micron—uno ogni 1,8 secondi per oltre tre ore, corrispondenti a una rotazione completa dell’oggetto. A questa osservazione è seguita un’analisi con lo strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument), che ha raccolto centinaia di misurazioni della luce tra 5 e 14 micron, con una scansione ogni 19,2 secondi durante un’altra rotazione.
Il risultato è stato una serie di centinaia di curve di luce dettagliate, ognuna delle quali mostrava come la luminosità di una specifica lunghezza d’onda (colore) cambiava mentre diverse parti dell’oggetto ruotavano in vista.
“Vedere l’intero spettro di questo oggetto cambiare nell’arco di pochi minuti è stato incredibile”, ha dichiarato Johanna Vos, ricercatrice principale dello studio e scienziata presso il Trinity College di Dublino. “Fino ad ora, avevamo solo una piccola parte dello spettro nel vicino infrarosso grazie a Hubble e alcune misurazioni di luminosità da Spitzer.”
Il team ha notato quasi immediatamente la presenza di diverse forme di curve di luce. Alcune lunghezze d’onda diventavano più luminose mentre altre si affievolivano o rimanevano costanti. Ciò indicava chiaramente che diversi fattori stavano influenzando le variazioni di luminosità.
“Immaginate di osservare la Terra da lontano. Se si guardassero i colori separatamente, si potrebbero vedere schemi diversi che rivelano informazioni sulla sua superficie e atmosfera, anche senza distinguere caratteristiche individuali”, ha spiegato Philip Muirhead, co-autore dello studio e ricercatore alla Boston University. “Il blu aumenterebbe quando gli oceani ruotano in vista. Cambiamenti nel marrone e nel verde potrebbero indicare variazioni nel suolo e nella vegetazione.”
Nubi irregolari, punti caldi e chimica del carbonio
Per comprendere cosa causasse la variabilità in SIMP 0136, il team ha utilizzato modelli atmosferici per determinare a quale profondità nell’atmosfera si originasse ogni lunghezza d’onda della luce osservata.
“Diverse lunghezze d’onda forniscono informazioni su diverse profondità atmosferiche”, ha spiegato McCarthy. “Abbiamo iniziato a notare che le lunghezze d’onda con curve di luce simili provenivano dalle stesse profondità, il che confermava l’idea che fossero influenzate dagli stessi meccanismi.”
Ad esempio:
- Un gruppo di lunghezze d’onda proviene dalle profondità dell’atmosfera, dove potrebbero esserci nubi irregolari composte da particelle di ferro.
- Un secondo gruppo proviene da nuvole più alte, probabilmente costituite da minuscoli granelli di silicati minerali. Le variazioni nelle curve di luce di questi due gruppi sono legate alla distribuzione non uniforme degli strati nuvolosi.
- Un terzo gruppo proviene da quote molto elevate, ben al di sopra delle nubi, e sembra essere legato alla temperatura. I punti luminosi potrebbero essere associati alle aurore, già rilevate in precedenza a lunghezze d’onda radio, o a fenomeni di risalita di gas caldo dagli strati più profondi dell’atmosfera.
Alcune curve di luce non potevano essere spiegate né con le nubi né con la temperatura, ma sembravano essere legate alla chimica del carbonio nell’atmosfera. Potrebbero esistere sacche di monossido di carbonio e anidride carbonica che ruotano dentro e fuori dal campo visivo o processi chimici che modificano la composizione atmosferica nel tempo.
“Non abbiamo ancora decifrato completamente il puzzle della chimica”, ha affermato Vos. “Ma questi risultati sono entusiasmanti perché suggeriscono che la quantità di molecole come il metano e l’anidride carbonica potrebbe variare da una zona all’altra e cambiare nel tempo. Se osserviamo un esopianeta e otteniamo solo una misurazione, dobbiamo considerare che potrebbe non rappresentare l’intero pianeta.”
Questo studio è stato condotto nell’ambito del Programma Generale di Osservazione (GO) 3548 del telescopio Webb.
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