Scoperta una Mega-Terra a 87 anni luce da noi: è 2,5 volte più grande e quasi senza atmosfera

È stata scoperta, a 87 milioni di anni luce da noi, una Mega-Terra rocciosa e gigantsca: 2,5 volte più grande e con una massa 23 volte maggiore rispetto al nostro pianeta, è vecchia 170 milioni di anni e quasi priva di atmosfera. L’esopianeta denominato GJ 523b era stato inizialmente individuato dal telescopio TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), l’osservatorio astronomico della NASA dedicato alla ricerca degli esopianeti con il metodo del transito. Il pianeta orbita circa ogni 18 giorni attorno a GJ 523, una nana rossa di tipo K, ovvero una stella meno luminosa e con massa minore rispetto al Sole.

Tramite le misure di velocità radiale raccolte con lo spettrografo del telescopio WIYN da 3,5 metri di Kitt Peak, in Arizona, un team di astronomi dell'Università del Wisconsin-Madison ha scoperto le insolite proprietà di questo esopianeta. Con una massa di circa 23 volte quella terrestre racchiuse in appena 2,5 raggi terrestri, GJ 523b viene a trovarsi in una categoria molto particolare e rara nella classificazione degli esopianeti osservati finora nella nostra galassia. È proprio la combinazione insolita di una massa così grande, di una densità da corpo roccioso e soprattutto un raggio poco più grande di quello terrestre e un’atmosfera molto sottile a spingere gli autori a proporre per pianeti come questo una nuova classe osservativa, le Mega-Terre.

Le Mega-Terre sono pianeti rocciosi giganti che non dovrebbero esistere

Secondo i modelli standard di formazione planetaria pianeti rocciosi con masse molto grandi rispetto a quella terretre non dovrebbero esistere. La loro massa e forte gravità dovrebbe catturare gas leggeri e trasformarli così in giganti gassosi come Giove.

Riportando su un grafico di densità in funzione del raggio il catalogo NASA Exoplanet Archive (ovvero il catologo che contiene tutti gli esopiaenti attualmente confermati), GJ 523b cade fuori dalle categorie di super-Terre (con masse fino a 10 masse terrestri), di mini-Nettuni (pianeti con masse fino a 20 volte quella terrestre e atmosfera simile a quella del pianeta Nettuno) ed esopianeti nettuniani più simili a quello del nostro sistema solare.  GJ 523b rappresenta un raro caso di una piccola popolazione di pianeti ad altissima densità e privi di una grande atmosfera di gas.

A rendere  GJ 523b ancora più singolare sono due proprietà orbitali: il pianeta ha un'età stimata di appena 170 milioni di anni e l'orbita del pianeta risulta inclinata di almeno 71,4 gradi rispetto all'asse di rotazione della stella. Questa grande obliquità quasi è tipica di sistemi stellari dinamicamente turbolenti  e non di un singolo pianeta isolato e così vicino alla sua stella madre come  GJ 523b.

Le osservazioni del telescopio TESS e di Kepler hanno mostrato che attorno a stelle simili al Sole i pianeti con raggio compreso tra 1,5 e 2 raggi terrestri sono rari. Si parla del cosiddetto radius gap, ovvero quella parte di popolazione esoplanetaria che separa le super-Terre rocciose (che arrivano fino a circa 1,2 raggi terrestri) dai mini-Nettuni (che culminano attorno a 2,4 raggi terrestri). Questi ultimi sono pianeti abbastanza massicci da trattenere un involucro esteso di idrogeno ed elio o comunque strati di materiali volatili. E’ proprio questa caratteristica, cioè la mancanza di una spessa atmosfera di elio e idrogeno e di una massa così grande a rendere GJ 523b un caso difficile da spiegare.

Con un raggio di 2,5 raggi terrestri GJ 523b si colloca proprio nella categoria dimensionale di mini-Nettuni. Eppure la sua densità, 7,8 g/cm³, è quasi il 40% superiore a quella terrestre (che è di circa 5,51 g/cm³) e del tutto incompatibile con un involucro gassoso tipico di pianeti come Nettuno.

I ricercatori hanno stimato per GJ 523b una frazione di massa atmosferica trascurabile, cioè si tratta di un pianeta essenzialmente roccioso, con una componente di acqua e ghiaccio attorno al 21% della massa, ma privo di un'atmosfera estesa di idrogeno ed elio.

Questo esclude anche l'ipotesi che si tratti di un pianeta Hyceano, ovvero una classe di mini-Nettuni, ipotizzata nel 2021, che dovrebbero possedere un oceano di acqua liquida coperto da una spessa atmosfera ricca di idrogeno.

L’assenza di atmosfera è stata inferita modellando la struttura interna dell’esopianeta a partire da massa, raggio e temperatura di equilibrio. Tramite questi modelli planetari i ricercatori hanno potuto ritenere che l’involucro di idrogeno ed elio sia praticamente assente.

Tutte le osservazioni fin qui raccolte dai ricercatori rivelano che GJ 523b sia con ottima probabilità ad essere un candidato di esopianeta appartenente alla categoria Mega-Terra. Un’altra caratteristica interessante è che in un pianeta simile la gravità sulla superficie è di circa 3,7 volte quella terrestre.

Perché un nucleo così massiccio non è diventato un gigante gassoso? 

Secondo il modello standard di formazione planetaria tramite accrescimento graduale del nucleo, quando un embrione planetario roccioso raggiunge circa 10-20 masse terrestri supera una soglia critica e innesca un accrescimento incontrollato di gas presente nel disco protoplanetario, trasformandosi rapidamente in un gigante gassoso. Questa è la dinamica che si ritiene abbia portato alla formazione nel Sistema Solare dei giganti gassosi come Giove e Saturno e che dovrebbe avvenire anche negli altri sistemi stellari.

GJ 523b ha un nucleo solido di massa che garantirebbe un possibile accrescimento fino a diventare un gigante gassoso. Ma nessun involucro gassoso significativo è stato osservato finora, un'anomalia che gli autori discutono attraverso possibili scenari di formazione planetaria.

Il pianeta potrebbe essere partito come un proto-gigante gassoso e perturbato su un'orbita molto eccentrica da un compagno esterno non ancora rilevato attraverso risonanze planetarie, per poi vedere il proprio involucro primordiale strappato dalle forze mareali della stella durante i passaggi ravvicinati.

Un altro scenario propone che il nucleo sia cresciuto rapidamente fino a circa 20 masse terrestri e poi più lentamente per accrescimento di planetesimi (cioè piccoli planetoidi già formati, simili a grandi asteoridi). Il calore aggiuntivo fornito da questa fase più lenta avrebbe impedito il collasso e l'accrescimento incontrollato dell'involucro gassoso, ritardandolo di alcuni milioni di anni, un tempo sufficiente perché il disco di gas si dissipasse prima che il pianeta potesse diventare un gigante.

C’è poi il problema della perdita di massa per fotoevaporazione energetica, ovvero un forte vento stellare altamente ionizzante che spoglia dell'atmosfera molti pianeti che orbitano a breve raggio dalla loro stella madre. Assumendo che GJ 523b sia partito con massa e raggio pari a quelli di Giove, il tasso di perdita stimato dagli autori (0,023 masse terrestri per miliardo di anni) avrebbe rimosso appena 0,004 masse terrestri nei suoi 170 milioni di anni di vita, una quantità trascurabile rispetto agli involucri gassosi dei giganti gassosi.

Il futuro della caccia alle Mega-Terre: PLATO e ARIEL

Casi come GJ 523b sono ancora troppo rari per testare statisticamente le teorie di formazione, ma due missioni dell'ESA (l'Agenzia Spaziae Europea) promettono di cambiare le cose, aumentando notevolmente la popolazione di esopianeti osservata.

Il telescopio PLATO, il cui lancio è previsto a fine 2026, osserverà con 26 telecamere oltre 200.000 stelle simili al Sole per almeno quattro anni, misurando tramite transiti e astrosismologia i raggi dei pianeti e le età delle stelle ospiti.

L'osservatorio astronomico ARIEL, il cui lancio è previsto per il 2029, avrà invece un obiettivo complementare, cioè quello di caratterizzare chimicamente le atmosfere di circa mille esopianeti già noti tramite spettroscopia di transiti ed eclissi tra 0,5 e 7,8 micron, lo stesso tipo di misura oggi possibile solo con il James Webb. Osservare direttamente un transito di GJ 523b davanti alla sua stella madre permetterebbe di chiarire davvero se pianeti simili siano privi di atmosfera.

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