Il mistero LHS 1140 b e le ricerche sull’esopianeta che ci “fissa” da lontano. L’intervista all’astronomo Raffaele Gratton
Vi sentite osservati? Potrebbe essere quel simil bulbo oculare che ci fissa da lontano, l’esopianeta LHS 1140 b che orbita attorno alla stella nana rossa LHS 1140. La sua presenza vicina al nostro sistema solare è riuscita a catturare l’attenzione degli scienziati. Ne abbiamo parlato con Raffaele Gratton, astronomo ordinario all’INAF – Osservatorio di Padova.
Cos’è un esopianeta? Quali sono le caratteristiche di LHS 1140 b?
«Un esopianeta è un pianeta che orbita attorno ad una stella diversa dal Sole. LHS1140 b è situato attorno alla stella LHS 1140, ha una massa pari a 5,6 volte quella della Terra ed una densità simile, anche se un pò superiore, che fa pensare sia composto principalmente da materiale roccioso con una piccola frazione di acqua. Non siamo del tutto sicuri che questo pianeta abbia un’atmosfera, anche se le recenti osservazioni ottenute con il James Webb Space Telescope, il nuovo grande telescopio spaziale da 6,5 metri lanciato nel 2021 da Charles Cadieux dell’Università di Montreal (Canada) e sai suoi collaboratori, favoriscono l’idea che abbia un’atmosfera composta principalmente da azoto, mentre escludono che abbia un’atmosfera composta da idrogeno. Questo tipo di pianeti, che sono abbastanza comuni tra gli esopianeti, vengono chiamati super-Terre».
Perché si definisce un candidato promettente per la ricerca di acqua liquida e per la vita extraterrestre?
«La stella LHS 1140 ha una massa pari al 18% della massa del Sole, quindi molto più piccola e soprattutto molto meno luminosa di quest’ultimo. Per questo motivo, anche se il pianeta si trova ad una distanza dalla sua stella che è meno di un decimo della distanza della Terra dal Sole, il pianeta riceve, per unità di superficie, dalla sua stella circa il 43% dell’energia che la Terra riceve dal Sole, approssimativamente la stessa che riceve Marte. Ci aspettiamo quindi che la temperatura alla sua superficie sia un po’ più bassa di quella alla superficie della Terra, anche se il valore preciso dipende dall’efficacia dell’effetto serra dovuto alla sua eventuale atmosfera. Questo valore dell’energia ricevuta dalla sua stella la mette comunque tra i possibili candidati per ospitare forme di vita».
Qual è stato il contributo del telescopio spaziale James Webb? Quali sono le sue capacità?
«Il James Webb Space Telescope non ha rivelato l’esistenza dell’esopianeta LHS 1140b, che era già nota dalle osservazioni da Terra ottenute dal progetto MEarth, ma ha svelato le informazioni sulla composizione della sua atmosfera. Queste si ottengono confrontando la distribuzione di luce con la lunghezza d’onda nel vicino infrarosso, grazie ad osservazioni fatte durante il transito (nel corso del quale una parte della luce della stella passa attraverso l’atmosfera del pianeta), con quelle ottenute in altre epoche, nelle quali nessuna parte della luce della stella passa attraverso l’atmosfera del pianeta. La frazione di luce stellare che passa attraverso l’atmosfera del pianeta è piccolissima: servono quindi osservazioni di grandissima accuratezza nel vicino infrarosso. Il miglior strumento esistente al momento per questo tipo di osservazioni è il James Webb Space Telescope».
Quali sono le differenze con i pianeti di Trappist-1 e il gemello della Terra Proxima B?
«Due dei pianeti attorno alla stella Trappist-1, in particolare Trappist-1d, e Proxima B hanno caratteristiche (luce ricevuta dalla stella e massa) ancora più simili alla Terra rispetto a LHS 1140 b. Tuttavia, le stelle attorno a cui questi pianeti si trovano sono ancora più piccole di LHS 1140 avendo solo l’8,6% e il 12% della massa del Sole, e questo potrebbe essere un problema per la presenza di vita perché questo tipo di stelle emette molto flusso ionizzante rispetto alla luce visibile, fenomeno che potrebbe causare la perdita dell’atmosfera attorno ai pianeti. Purtroppo Proxima B non si vede transitare sul disco della stella per cui è difficile ricavare informazioni riguardanti la sua atmosfera».
Quali esopianeti potrebbero ospitare vita oltre a LHS 1140 b?
«I pianeti noti considerati buoni candidati per ospitare vita sono circa una decina, ma sicuramente ce ne sono moltissimi non noti, o perché non transitano sul disco della stella, o perché sono più distanti dal Sole. In effetti tutti questi pianeti menzionati finora sono in una regione della nostra galassia molto vicina al Sole. Abbiamo potuto esaminare solo meno di un milionesimo delle stelle della nostra galassia che hanno pianeti che possono ospitare la vita».
Come si colloca l’Italia nella ricerca di esopianeti?
«Negli ultimi anni la ricerca sugli esopianeti in Italia ha fatto grandi progressi, in relazione a quella svolta in tutto il mondo. Nell’ultima analisi fatta, relativa al periodo 2016/2018, si è trovato che circa il 3% della ricerca mondiale sugli esopianeti è svolta in Italia, in netto progresso rispetto all’1,8% di 6 anni prima. L’Italia ha un ruolo di primo piano in particolare in due satelliti dell’ESA, Plato ed Ariel, che verranno lanciati nello spazio rispettivamente nel 2026 e nel 2030. I risultati di queste missioni saranno particolarmente utili per avere nuove informazioni sugli esopianeti che possono ospitare la vita».
Come anticipato dall’esperto Raffaele Gratton, al momento della scoperta di LHS 1140 b gli scienziati supposero che si trattasse di un piccolo, anzi minuscolo, Nettuno e che quindi fosse un pianeta sostanzialmente gassoso. In realtà, invece, i dati analizzati, dopo essere stati raccolti dal James Webb Space Telescope, a dicembre 2023, e poi uniti a quelli di diversi telescopi come TESS, Spitzer e Hubble, sono arrivati ad un altro epilogo. L’esopianeta si trova a 48 anni luce dalla Terra, nella costellazione della Balena, ed è uno dei possibili candidati tra tutti i pianeti conosciuti ad ospitare con alta probabilità un’ atmosfera e un oceano. Gli esopianeti che sono collocati in questa zona, ovvero la “zona Goldilocks”, possiedono infatti temperature che permettono all’acqua di trovarsi in forma liquida. Questo significa che avrebbe tutte le carte in regola per ospitare forme di vita da noi conosciute: potrebbe essere un gigantesco pianeta ghiacciato oppure un corpo per lo più congelato con una parte oceanica nella zona più vicina alla stella, dato che il pianeta si trova in rotazione sincrona (come avviene per la Luna). Queste caratteristiche gli attribuirebbero lo strano aspetto di “occhio cosmico”.
Lo studio di LHS 1140 b, guidato dal gruppo di ricercatori dell’Università di Montreal e pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, ha annunciato l’esistenza di “prove allettanti di un’atmosfera dominata dall’azoto su una super-Terra nella zona abitabile”. Gli scienziati hanno utilizzato lo strumento NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) del telescopio Webb per analizzare la luce della stella ospite che passa attraverso l’atmosfera del pianeta. Poi, per verificare la teoria del mini-Nettuno, hanno dato vita a un prototipo climatico globale 3D (GCM), e paragonando più GCM con lo spettro luminoso analizzato in precedenza, si è scoperto che la prima idea del pianeta gassoso non combaciava con le rilevazioni NIRISS. Le informazioni ottenute hanno rimandato quindi ad un pianeta simile al nostro, con un’atmosfera costituita da azoto o CO2, e dalla densità inferiore che indica che potremmo trovarci di fronte a un “pianeta oceanico” con una massa costituita per il 10/20% d’acqua. C’è però ancora molto da studiare per avere la conferma della natura di LHS 1140 b: un impegno che il gruppo di Cadieux vuole portare avanti è il confronto dei dati NIRISS con quelli di altre super-Terre raccolti grazie allo strumento NIRSpec del telescopio spaziale, ma anche tre osservazioni di transito del pianeta con lo strumento MIRI (Mid-Infrared), installato su Webb, con l’obiettivo di escludere disturbi della radiazione stellare nelle osservazioni del pianeta stesso. Il team però comunica che “data la limitata visibilità di LHS 1140 b, potrebbero essere necessari diversi anni di osservazioni per rilevare la sua potenziale atmosfera secondaria“.
«Rilevare un’atmosfera simile a quella terrestre su un pianeta temperato significa spingere le capacità di Webb ai suoi limiti: è fattibile, abbiamo solo bisogno di molto tempo di osservazione – ha dichiarato René Doyon, principal investigator di Niriss – L’attuale accenno a un’atmosfera ricca di azoto richiede una conferma con ulteriori dati. Abbiamo bisogno di almeno un altro anno di osservazioni per confermare che Lhs 1140 b ha un’atmosfera, e probabilmente di altri due o tre per rilevare l’anidride carbonica».
E poi Charles Cadieux: «tra tutti gli esopianeti temperati attualmente conosciuti, Lhs 1140 b potrebbe essere la nostra migliore possibilità di confermare un giorno, in modo indiretto, la presenza di acqua liquida sulla superficie di un mondo alieno al di là del nostro sistema solare. Si tratterebbe di un’importante pietra miliare nella ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili».
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La tecnica dei transiti
Abbiamo parlato di “transito”, ma cos’è? Si tratta del passaggio di un qualsiasi oggetto davanti al disco solare. Tra gli esempi noti che possiamo fare c’è quello di Venere davanti al Sole nel giugno 2004, un transito che ha coperto 1/30 del disco creando un calo di luminosità del 3% circa. Il passaggio di un oggetto davanti al disco solare copre infatti una frazione di quest’ultimo causando un abbassamento della luce nel corso di tutta la durata del transito: la diminuzione del flusso di luce viene chiamata eclissi. La stessa cosa accade, con molta più frequenza con la Luna, la quale passa in apparenza vicina al Sole circa 12 volte all’anno, ma in questi casi si trova o sopra o sotto il disco. Sono due invece le volte all’anno in cui questa passa esattamente davanti al Sole producendo le eclissi di Sole. Quando gli transita davanti e ne copre una parte si chiama eclissi parziale, se invece copre il disco intero si chiama eclissi totale.
Lo stesso fenomeno accade con gli esopianeti: l’eclissi persiste per tutta la durata del transito e la sua profondità deriverà dalla grandezza dell’esopianeta rispetto alle dimensioni della stella. La “tecnica dei transiti” consiste nell’osservare una stella e capire se la sua luminosità mostra delle piccole eclissi, se questo avviene significa che qualcosa (forse un esopianeta) è passato davanti alla stella. Ma come si capisce se si tratta davvero di un esopianeta? Si possono usare diversi metodi, uno è quello delle “velocità radiali” grazie al quale si capisce se le eclissi sono prodotte da altre stelle oppure da fenomeni che avvengono sulla superficie della stella. La tecnica dei transiti è davvero un metodo così efficace? Sì, perché tra tutti gli esopianeti scoperti, circa il 75% è stato rinvenuto in questo modo, il 19% invece con quello delle velocità radiali. I telescopi che cercano di trovare, dalla Terra o dallo spazio, esopianeti con la tecnica dei transiti, come ad esempio il TESS, sono realizzati in maniera tale da esaminare allo stesso tempo una parte di cielo abbastanza ampia contenente migliaia di stelle. Il telescopio Kepler, per esempio, ha scrutato una regione di cielo di 10 gradi quadrati in cui erano presenti circa 100.000 stelle. La futura missione PLATO, invece, osserverà una regione di cielo di 49 gradi quadrati che conterrà milioni di stelle. Sono tutti numeri elevatissimi che danno la possibilità di osservare stelle con i rispettivi pianeti, e pianeti che posseggono un’orbita tale da passare davanti al disco della propria stella, con il risultato di produrre le eclissi e quindi permettere la loro scoperta. La maggior parte delle stelle che vengono osservate con la tecnica del transito probabilmente avrà esopianeti che però non verranno scoperti a causa dell’orbita inclinata che non produce nessuna eclissi. D’altro canto, per avere la prova che si tratti di un esopianeta devono poter essere osservati numerosi transiti, in conseguenza di ciò le osservazioni devono essere più costanti possibili, e quindi devono essere fatte per mesi o addirittura anni. Inoltre, se il cosiddetto transito avviene nel corso della giornata, il telescopio che si trova a Terra non può vederlo perché può osservare il cielo soltanto di notte, il telescopio spaziale, invece, che guarda senza nessuna interruzione, lo riesce a vedere. Ci sono delle eclissi osservate nelle curve di luce che però potrebbero essere generate anche da altro: un esempio può essere fatto quando sullo sfondo della stella c’è una binaria ad eclisse (una coppia di stelle che girando l’una attorno all’altra si eclissano) che potrebbe creare un eclisse molto simile a quella prodotta da un esopianeta.
Il paragone tra osservazioni spettroscopiche conseguite prima e poi durante il transito permette lo studio delle proprietà chimico-fisiche delle atmosfere dei pianeti in transito, grazie alla minima quantità di luce stellare che valica l’atmosfera del pianeta prima di arrivare da noi. Sono queste le osservazioni che oggi ci consentono di capire le atmosfere di pianeti e di luoghi lontani da noi. Le rilevazioni di transito effettuate con l’HST, Telescopio Spaziale Hubble, hanno indicato la presenza di acqua nell’atmosfera dell’esopianeta, ma l’identificazione non è stata convalidata perché l’attività magnetica della stella che lo ospita potrebbe generare segnali molto simili. Secondo però uno studio italiano la stella LHS 1140 è caratterizzata da un livello molto basso di attività magnetica, questo sta ad indicare l’alta probabilità di scovare la presenza di acqua sull’esopianeta. Gli studiosi hanno anche guidato simulazioni di osservazioni con il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea Ariel, palesando la sua capacità di individuare la presenza di acqua in atmosfera.
Qualche misura
Ad inizio 2024, gli scienziati del gruppo di Charles Cadieux sono riusciti a ottenere nuovi eccezionali valori di massa e raggio dell’esopianeta: sarebbe 1,7 volte le dimensioni della Terra e 5,6 volte la sua massa. Il suo raggio sarebbe invece di 11,000 km, mentre l’oceano potrebbe avere un diametro di 4.000 chilometri, circa la metà della superficie dell’Oceano Atlantico. L’orbita di LHS 1140 b, che è piuttosto circolare, ha bisogno di 24,737 giorni circa per essere ultimata, un numero che batte quindi il periodo di rivoluzione della Luna (27,32 giorni). Il raggio orbitale è invece di 14 milioni di km, cioè il 9% della distanza tra la Terra e il Sole. La piccola stella che lo ospita si chiama LHS 1140, ha una temperatura efficace di circa 3100-3200 gradi K, una massa di 0,184 masse solari, ed è collocata a soli 41,2 anni luce dal sistema solare. L’esopianeta orbita a una distanza di circa 0,095 unità astronomiche da questa (dove un’unità astronomica corrisponde alla distanza media tra la Terra e il Sole).
Quello dell’LHS 1140 b è solo uno dei tanti paragrafi di un mondo cosmico che stiamo piano piano scoprendo nel tempo. Forse un mondo ghiacciato che aspetta solo di essere scoperto e che ci aiuterà a capire cosa nasconde l’universo.
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di: Alice GEMMA
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