Gli astronomi stanno cercando pianeti in fase di formazione attorno a stelle neonate utilizzando il telescopio spaziale James Webb. Il potente telescopio ha dato rapidamente i suoi frutti, anche se in modo inaspettato. Questi pianeti neonati prendono forma in ammassi vorticosi di gas e polvere chiamati dischi protoplanetari, accumulando più massa durante il processo. L'umanità ha ripreso molti di questi dischi protoplanetari, ma fino ad oggi gli astronomi hanno intravisto solo poche volte i pianeti in formazione al loro interno.
Ora, un team guidato da scienziati dell'Università del Michigan, dell'Università dell'Arizona e dell'Università di Victoria ha aggiunto la potenza dei sensibili strumenti a infrarossi di Webb a questa ricerca. Il team ha utilizzato il telescopio per osservare i dischi protoplanetari HL Tau, SAO 206462 e MWC 758, aggiungendo osservazioni ai dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble e dall'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) nella speranza di individuare un pianeta in formazione. L'indagine ha anche rivelato interazioni finora mai viste tra i dischi protoplanetari e gli involucri di gas più vicini alle stelle che si trovano nel cuore di questi dischi.
"Fondamentalmente, in ogni disco che abbiamo osservato con risoluzione e sensibilità sufficientemente elevate, abbiamo visto grandi strutture come spazi vuoti, anelli e, nel caso di SAO 206462, spirali", ha detto in una nota Gabriele Cugno, membro del team e astronomo dell'Università del Michigan. "La maggior parte di queste strutture – se non tutte – possono essere spiegate con la formazione di pianeti che interagiscono con il materiale del disco, ma esistono altre spiegazioni che non implicano la presenza di pianeti giganti. Se riusciamo finalmente a vedere questi pianeti, possiamo collegare alcune delle strutture con i compagni in formazione e mettere in relazione i processi di formazione con le proprietà di altri sistemi in fasi molto successive. Possiamo finalmente unire i punti e capire come i pianeti e i sistemi planetari si evolvono nel loro insieme".
Trovato un pianeta inaspettato
Cugno ha condotto un'indagine con Webb sul disco protoplanetario intorno alla protostella SAO 206462. Una protostella è un corpo stellare che non ha ancora accumulato massa sufficiente per innescare la fusione dell'idrogeno in elio nel suo nucleo. Nel disco protoplanetario intorno a SAO 206462, il team ha individuato i segnali di un pianeta in formazione, ma con un colpo di scena: non era il pianeta che si aspettavano di vedere.
"Diverse simulazioni suggeriscono che il pianeta dovrebbe trovarsi all'interno del disco, massiccio, grande, caldo e luminoso. Ma non l'abbiamo trovato. Ciò significa che o il pianeta è molto più freddo di quanto pensiamo, oppure potrebbe essere oscurato da qualche materiale che ci impedisce di vederlo", ha continuato Cugno. "Quello che abbiamo trovato è un candidato pianeta diverso, ma non possiamo dire con certezza al 100% se si tratta di un pianeta o di una debole stella di sfondo o una galassia che contamina la nostra immagine. Le osservazioni future ci aiuteranno a capire esattamente cosa stiamo guardando".
Non è la prima volta che il disco di SAO 206462 viene messo a fuoco. Hubble, ALMA e il Very Large Telescope (VLT) hanno tutti studiato questo disco protoplanetario, e queste osservazioni hanno rivelato che è composto da due forti spirali. Queste spirali sono probabilmente create da un pianeta in formazione.
Prima di cercare questo pianeta con Webb, tuttavia, il team si aspettava di vedere un pianeta gigante gassoso composto principalmente da elio, come Saturno o Giove. "Il problema è che qualunque cosa stiamo cercando di rilevare è centinaia di migliaia, se non milioni di volte, più debole della stella", ha detto Cugno. "E' come cercare di rilevare una piccola lampadina vicino ad un faro".
La Near Infrared Camera (NIRCam) di Webb ha permesso a Cugno e colleghi di indagare più a fondo nel disco di SAO 206462 e di rilevare l'energia termica proveniente dal pianeta, parte della quale viene rilasciata quando il materiale cade su di esso ad alta velocità. "Quando il materiale cade sul pianeta, colpisce la superficie ed emette una linea di emissione a lunghezze d'onda specifiche", ha detto Cugno. "Utilizziamo una serie di filtri a banda stretta per cercare di rilevare questo accrescimento. Questo è stato fatto in precedenza da terra a lunghezze d'onda ottiche, ma questa è la prima volta che è stato fatto nell'infrarosso con Webb".
Ciò ha indicato un pianeta separato dalla protostella centrale a circa 300 volte la distanza tra la Terra e il Sole. I giganti gassosi di solito si formano molto più vicino alle loro stelle, e alcuni di essi migrano verso l'esterno dopo che il disco protoplanetario si è dissipato.
I risultati della NIRCam hanno escluso la presenza di un oggetto nel disco con una massa maggiore di 2,2 volte la massa di Giove, con Cugno e colleghi che hanno concluso che, se c'è un gigante gassoso che ritaglia le spirali ordinate del disco protoplanetario di SAO 206462, deve essere molto freddo.
La stella più giovane ha le carte in regola per la formazione dei pianeti
Mentre Cugno e colleghi osservavano il disco attorno a SAO 206462, il ricercatore Camryn Mullin dell'Università di Victoria ha utilizzato il telescopio spaziale James Webb per studiare la stella HL Tauri (HL Tau). Si tratta di una neonata situata a circa 450 anni luce dalla Terra ed è stata studiata anche da numerosi telescopi. Con un'età stimata non superiore a 1 milione di anni (rispetto al nostro Sole di mezza età di 4,6 miliardi di anni), HL Tau è la stella più giovane nell'indagine di Webb sui dischi protoplanetari.
"HL Tau è il sistema più giovane nella nostra indagine ed è ancora circondato da un denso afflusso di polvere e gas che cade sul disco", ha detto Mullin. "Siamo rimasti stupiti dal livello di dettaglio con cui abbiamo potuto vedere questo materiale circostante con Webb, ma sfortunatamente oscura qualsiasi segnale proveniente da potenziali pianeti".
È noto che il disco di HL Tau presenta una serie di spazi vuoti e anelli che potrebbero ospitare pianeti. Tuttavia, a causa della quantità di polvere del disco e della giovinezza del sistema, è improbabile che Webb possa vedere direttamente i pianeti attorno a HL Tau.
Il team è stato in grado di distinguere una caratteristica chiamata involucro protostellare con Webb. Ciò rappresenta il denso afflusso di polvere e gas che sta iniziando ad agglomerarsi attorno a HL Tau. Questa materia prima fluisce verso la stella e il suo disco dal mezzo interstellare, gas e polvere che esistono tra le stelle, e alla fine servirà come materia prima per la nascita dei pianeti.
La caccia ai pianeti in formazione continua
Kevin Wagner, membro di Hubble/Sagan Fellow presso l'Osservatorio Steward dell'Università dell'Arizona, ha esaminato il disco protoplanetario di MWC 758 con Webb. Si tratta di un altro disco protoplanetario con bracci a spirale che potrebbe indicare la presenza di un pianeta massiccio. Questo possibile pianeta e tutti gli altri non si sono manifestati nello studio del team, ma la sensibilità e la potenza di Webb hanno permesso loro di porre dei limiti su qualsiasi potenziale pianeta in formazione all'interno di questo disco protoplanetario. Ciò includeva l'esclusione della possibilità che ci siano pianeti alla periferia del disco, lontani dalla stella MWC 758.
"La mancanza di pianeti rilevati in tutti e tre i sistemi ci dice che i pianeti che causano gli spazi vuoti e i bracci di spirale sono troppo vicini alle loro stelle madri o troppo deboli per essere visti con Webb", ha detto Wagner. "Se quest'ultima ipotesi è vera, ci dice che hanno una massa relativamente bassa, una temperatura bassa, avvolti nella polvere o una combinazione dei tre, come è probabile il caso d MWC 758".
Indagini come queste sulla formazione di pianeti attorno a giovani stelle sono di vitale importanza per comprendere come i materiali sono distribuiti nei sistemi giovani e come si sono formati raggruppamenti maturi come il Sistema Solare, hanno detto i ricercatori.
"Solo il 15% circa delle stelle come il Sole ha pianeti come Giove. È davvero importante capire come si formano ed evolvono e perfezionare le nostre teorie", ha detto Michael Meyer, membro del team e astronomo dell'Università del Michigan. "Alcuni astronomi pensano che questi pianeti giganti gassosi regolino la fornitura di acqua ai pianeti rocciosi che si formano nelle parti interne dei dischi". Pertanto, questa indagine potrebbe in definitiva essere cruciale per comprendere come si è formata la Terra e come è diventata in grado di sostenere la vita.
La ricerca del team è discussa in tre articoli pubblicati su The Astronomical Journal.