Gli astronomi del MIT hanno ottenuto la visione più chiara del lato oscuro perpetuo di un esopianeta che è "bloccato dalle maree" alla sua stella. Le loro osservazioni, combinate con le misurazioni del lato diurno permanente del pianeta, forniscono la prima visione dettagliata dell'atmosfera globale di un esopianeta. "Ora stiamo andando oltre lo scatto di istantanee isolate di specifiche regioni di atmosfere di esopianeti", afferma Thomas Mikal-Evans, che ha guidato lo studio come postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT.
Il pianeta al centro del nuovo studio, pubblicato il 21 febbraio 2022 su Nature Astronomy, è WASP-121b, un enorme gigante gassoso grande quasi il doppio di Giove. Il pianeta è un Giove ultra caldo ed è stato scoperto nel 2015 in orbita attorno a una stella a circa 850 anni luce dalla Terra. WASP-121b ha una delle orbite più corte rilevate fino ad oggi, girando attorno alla sua stella in sole 30 ore. È anche bloccato dalle maree, in modo tale che il suo lato rivolto verso la stella sia sempre lo stesso, permanentemente a temperature elevatissime, mentre il suo lato "notturno" è rivolto sempre verso lo spazio.
"I gioviani caldi sono famosi per avere lati del giorno molto luminosi, ma il lato notturno è molto diversa. Il lato notturno di WASP-121b è circa 10 volte più debole del suo lato diurno", afferma Tansu Daylan, un postdoc del MIT che lavora alla missione guidata dal MIT della NASA, TESS, co-autore dello studio. Gli astronomi avevano precedentemente rilevato il vapore acqueo e studiato come la temperatura atmosferica cambia con l'altitudine sul lato diurno del pianeta.
Il nuovo studio cattura un quadro molto più dettagliato. I ricercatori sono stati in grado di mappare i drammatici cambiamenti di temperatura dal lato diurno a quello notturno e di vedere come queste temperature cambiano con l'altitudine. Hanno anche monitorato la presenza di acqua attraverso l'atmosfera per mostrare, per la prima volta, come l'acqua circola tra i lati diurni e notturni di un pianeta.
Mentre sulla Terra, l'acqua ciclica prima evapora, poi condensa in nuvole, poi piove dal cielo, su WASP-121b il ciclo dell'acqua è molto più intenso: sul lato diurno, gli atomi che compongono l'acqua vengono fatti a pezzi a temperature superiori a 3.000 kelvin. Questi atomi vengono soffiati intorno al lato notturno, dove temperature più fredde consentono agli atomi di idrogeno e ossigeno di ricombinarsi in molecole d'acqua, che poi soffiano di nuovo sul lato diurno, dove il ciclo ricomincia.
Il team calcola che il ciclo dell'acqua del pianeta è sostenuto da venti che frustano gli atomi intorno al pianeta a velocità fino a 5 chilometri al secondo.
Sembra anche che l'acqua non sia la sola a circolare in tutto il pianeta. Gli astronomi hanno scoperto che il lato notturno è abbastanza freddo da ospitare nubi esotiche di ferro e corindone, un minerale che costituisce rubini e zaffiri. Queste nuvole, come il vapore acqueo, possono frustare intorno al lato diurno, dove le alte temperature vaporizzano i metalli in forma di gas. Lungo la strada, potrebbero essere prodotte piogge esotiche, come gemme liquide di corindone.
Il team ha osservato WASP-121b utilizzando una telecamera spettroscopica a bordo del telescopio spaziale Hubble della NASA. Lo strumento osserva la luce proveniente da un pianeta e dalla sua stella e scompone quella luce nelle sue lunghezze d'onda costituenti, le cui intensità forniscono agli astronomi indizi sulla temperatura e la composizione di un'atmosfera.
Attraverso studi spettroscopici, gli scienziati hanno osservato dettagli atmosferici sui lati del giorno di molti esopianeti. Ma fare lo stesso per il lato notturno è molto più complicato, in quanto richiede di osservare piccoli cambiamenti nell'intero spettro del pianeta mentre circonda la sua stella.
Per il nuovo studio, il team ha osservato WASP-121b in due orbite complete, una nel 2018 e l'altra nel 2019. Per entrambe le osservazioni, i ricercatori hanno esaminato i dati della luce per una linea specifica, o caratteristica spettrale, che indicava la presenza di vapore acqueo.
La caratteristica dell'acqua mutevole ha aiutato il team a mappare il profilo della temperatura sia del lato giorno che di quello notturno. Hanno scoperto che il lato diurno varia da 2.500 kelvin al suo strato osservabile più profondo, a 3.500 K nei suoi strati più alti. Il lato notturno variava da 1.800 K al suo strato più profondo, a 1.500 K nella sua atmosfera superiore. È interessante notare che i profili di temperatura sembravano aumentare con l'altitudine sul lato diurno, una "inversione termica" in termini meteorologici, e scendere con l'altitudine sul lato notturno.
I ricercatori hanno quindi passato le mappe di temperatura attraverso vari modelli per identificare le sostanze chimiche che potrebbero esistere nell'atmosfera del pianeta, date le altitudini e le temperature specifiche. Questa modellazione ha rivelato il potenziale per le nuvole metalliche, come ferro, corindone e titanio sul lato notturno.
Dalla loro mappatura della temperatura, il team ha anche osservato che la regione più calda del pianeta è spostata ad est della regione "substellare" direttamente sotto la stella. Hanno dedotto che questo spostamento è dovuto a venti estremi.
"Il gas viene riscaldato nel punto substellare ma viene soffiato verso est prima che possa reirradiare nello spazio", ha spiegato Mikal-Evans. Gli astronomi entro la fine dell'anno sperano di mappare i cambiamenti anche nel monossido di carbonio, che gli scienziati sospettano dovrebbe risiedere nell'atmosfera. "Sarebbe la prima volta che potremmo misurare una molecola portatrice di carbonio nell'atmosfera di questo pianeta", ha affermato Mikal-Evans. "La quantità di carbonio e ossigeno nell'atmosfera fornisce indizi su dove si formano questi tipi di pianeti".