Astronomia

Se un Giove caldo si scontra con la stella madre, aumenta o riduce la vita della stella?

Se un Giove caldo si scontra con la stella madre, aumenta o riduce la vita della stella?

Supponiamo che un Giove caldo entri in collisione con la stella madre a causa della forza di marea, la vita della stella diventa più lunga a causa dell'idrogeno in più o si accorcia a causa della massa in più?


La risposta breve è il commento di pela: più massa equivale a una vita più breve.

Per una spiegazione un po' più lunga...

L'unico modo in cui la vita della stella potrebbe essere prolungata è se il nuovo materiale può essere trasportato nel nucleo. Ciò richiede la convezione. La maggior parte delle stelle non sono completamente convettive, avendo strati distinti di zone convettive o radiative. L'effetto netto della collisione in questo caso è semplicemente di aggiungere più massa alla stella nel suo insieme senza aggiungere nuovo combustibile al nucleo (oa un guscio in fiamme); ergo, durata della vita più breve.

Ma alcune stelle hanno (o potrebbero) avere stadi completamente convettivi, come le sequenze principali di stelle molto piccole (dette nane rosse) e stelle molto grandi con abbastanza metalli per un ciclo CNO dominante. Quindi, in una situazione del genere, il materiale del corpo in collisione verrebbe trasportato verso (e dal) nucleo, fornendo più carburante da bruciare. Tuttavia, la stella ha ancora la stessa massa aumentata, indipendentemente da dove si trova attualmente la "nuova massa" all'interno della stella, con conseguente temperatura interna più elevata. Il cui effetto netto è che l'aumento della velocità di fusione supera l'aumento di massa proporzionale. Quindi, durata della vita più breve.

La regola di base qui è che le temperature interne sono dettate dal pozzo gravitazionale della stella, che è dettato dalla massa (e da pochi altri contributi GR, ma di solito prevalentemente massa). Maggiore è la massa, più profondo è il pozzo. Quindi aggiungere più massa significa solo che il nucleo (e le aree vicine ad esso) si trovano in un pozzo gravitazionale più profondo, il che significa che le temperature salgono. Le velocità di reazione di fusione stellare sono approssimativamente polinomi non lineari nella temperatura; alcuni arrivano addirittura ad essere proporzionali a $T^{40}$, la 40esima potenza della temperatura! È questa non linearità che si traduce nella relazione fondamentale della risposta breve: più massa equivale a una vita più breve. L'aumento della massa di una data proporzione aumenta le velocità di fusione di una proporzione (molto) maggiore.


Estremamente caldo e incredibilmente vicino: come i giovi caldi sfidano la teoria

Paul Sutter è visiting scholar presso il Center for Cosmology and Astro-Particle Physics della Ohio State University (CCAPP). Sutter è anche ospite dei podcast"Chiedi a un astronauta" e "Spazio reale," e la serie YouTube "Spazio in faccia."

Come al solito, pensavamo di aver capito tutto. Vedi quel gigante gassoso laggiù nel sistema solare esterno? È nato lì. Passerà lì tutta la sua vita e lì morirà. Certo che potrebbe oscillare un po' ogni poche centinaia di milioni di anni e chi non lo fa? &mdash ma, nel complesso, i pianeti non si muovono.

Sorpresa: i pianeti si muovono. E non solo un po'. Si muovono molto. Dappertutto. In effetti, nei primi giorni della formazione di un sistema solare, i pianeti sono un po' turbolenti: bambini piccolissimi che si spingono sotto i piedi. Ma è stato solo quando abbiamo iniziato ad osservare pianeti in altri sistemi solari ("pianeti extrasolari" o "esopianeti" per l'astronomo in movimento) che abbiamo davvero notato questo fatto.


I pianeti giganti intorno a una giovane stella sollevano domande su come si formano i pianeti

I ricercatori hanno identificato una giovane stella con quattro pianeti delle dimensioni di Giove e Saturno in orbita attorno ad essa, è la prima volta che sono stati rilevati così tanti pianeti massicci in un sistema così giovane. Il sistema ha anche stabilito un nuovo record per la gamma di orbite più estrema mai osservata: il pianeta più esterno è più di mille volte più lontano dalla stella rispetto a quello più interno, il che solleva interrogativi interessanti su come potrebbe essersi formato un tale sistema.

La stella ha solo due milioni di anni - un "bambino" in termini astronomici - ed è circondata da un enorme disco di polvere e ghiaccio. Questo disco, noto come disco protoplanetario, è il luogo in cui si formano i pianeti, le lune, gli asteroidi e altri oggetti astronomici nei sistemi stellari.

La stella era già nota per essere notevole perché contiene il primo cosiddetto Giove caldo - un pianeta massiccio che orbita molto vicino alla sua stella madre - ad essere stato scoperto intorno a una stella così giovane. Sebbene i caldi Giove siano stati il ​​primo tipo di esopianeta scoperto, la loro esistenza ha lasciato perplessi gli astronomi perché spesso si pensa che siano troppo vicini alle loro stelle madri per essersi formati in situ.

Ora, un team di ricercatori guidato dall'Università di Cambridge ha utilizzato l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) per cercare "fratelli" planetari di questo caldo Giove. La loro immagine ha rivelato tre distinti spazi vuoti nel disco, che, secondo la loro modellizzazione teorica, sono stati molto probabilmente causati da altri tre pianeti giganti gassosi anch'essi in orbita attorno alla giovane stella. I loro risultati sono riportati in Le lettere del diario di astrofisica.

La stella, CI Tau, si trova a circa 500 anni luce di distanza in una regione "vivaio" stellare altamente produttiva della galassia. I suoi quattro pianeti differiscono notevolmente nelle loro orbite: il più vicino (il caldo Giove) è all'interno dell'equivalente dell'orbita di Mercurio, mentre il più lontano orbita a una distanza più di tre volte maggiore di quella di Nettuno. I due pianeti esterni hanno circa la massa di Saturno, mentre i due pianeti interni sono rispettivamente circa una e 10 volte la massa di Giove.

La scoperta solleva molte domande per gli astronomi. Circa l'1% delle stelle ospita Giove caldi, ma la maggior parte dei Giove caldi conosciuti sono centinaia di volte più vecchi di CI Tau. "Attualmente è impossibile dire se l'architettura planetaria estrema vista in CI Tau sia comune nei sistemi caldi di Giove perché il modo in cui questi pianeti fratelli sono stati rilevati - attraverso il loro effetto sul disco protoplanetario - non funzionerebbe nei sistemi più vecchi che non hanno più un disco protoplanetario", ha detto la professoressa Cathie Clarke dell'Istituto di Astronomia di Cambridge, primo autore dello studio.

Secondo i ricercatori, non è nemmeno chiaro se i pianeti fratelli abbiano avuto un ruolo nel guidare il pianeta più interno nella sua orbita ultra-ravvicinata e se questo sia un meccanismo che funziona nel rendere caldi i Giove in generale. E un ulteriore mistero è come si siano formati i due pianeti esterni.

"I modelli di formazione dei pianeti tendono a concentrarsi sulla capacità di creare i tipi di pianeti che sono già stati osservati, quindi le nuove scoperte non si adattano necessariamente ai modelli", ha affermato Clarke. "Si suppone che i pianeti di massa di Saturno si formino accumulando prima un nucleo solido e poi tirando uno strato di gas sopra, ma si suppone che questi processi siano molto lenti a grandi distanze dalla stella. La maggior parte dei modelli farà fatica a rendere i pianeti di questo massa a questa distanza."

Il compito che ci attende sarà quello di studiare questo sconcertante sistema a più lunghezze d'onda per ottenere maggiori indizi sulle proprietà del disco e dei suoi pianeti. Nel frattempo, ALMA, il primo telescopio con la capacità di creare immagini di pianeti, probabilmente riserverà ulteriori sorprese in altri sistemi, rimodellando la nostra immagine di come si formano i sistemi planetari.


Pianeta 'allevato' da quattro stelle genitori

Crescere come un pianeta con più di una stella madre ha le sue sfide. Sebbene i pianeti del nostro sistema solare cerchino solo una stella, il nostro sole, altri pianeti più distanti, chiamati esopianeti, possono essere allevati in famiglie con due o più stelle. I ricercatori che vogliono saperne di più sulle complesse influenze di più stelle sui pianeti hanno escogitato due nuovi casi di studio: un pianeta che ha tre genitori e un altro con quattro.

Le scoperte sono state effettuate utilizzando strumenti montati sui telescopi dell'Osservatorio Palomar di San Diego: il sistema di ottica adattiva Robo-AO, sviluppato dal Centro interuniversitario di astronomia e astrofisica in India e dal California Institute of Technology di Pasadena, e il PALM -3000 sistema di ottica adattiva, sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California, e Caltech.

Questa è solo la seconda volta che un pianeta è stato identificato in un sistema stellare quadruplo. Sebbene il pianeta fosse conosciuto prima, si pensava che avesse solo tre stelle, non quattro. Il primo pianeta a quattro stelle, KIC 4862625, è stato scoperto nel 2013 da scienziati cittadini utilizzando i dati pubblici della missione Kepler della NASA.

L'ultima scoperta suggerisce che i pianeti in sistemi stellari quadrupli potrebbero essere meno rari di quanto si pensasse una volta. In effetti, recenti ricerche hanno dimostrato che questo tipo di sistema stellare, che di solito consiste in due coppie di stelle gemelle che ruotano lentamente l'una intorno all'altra a grandi distanze, è di per sé più comune di quanto si credesse in precedenza.

"Circa il quattro percento delle stelle di tipo solare si trova in sistemi quadrupli, il che è in aumento rispetto alle stime precedenti perché le tecniche di osservazione stanno migliorando costantemente", ha affermato il coautore Andrei Tokovinin dell'Osservatorio interamericano di Cerro Tololo in Cile.

Il nuovo sistema planetario a quattro stelle, chiamato 30 Ari, si trova a 136 anni luce di distanza nella costellazione dell'Ariete. Il pianeta gassoso del sistema è enorme, con 10 volte la massa di Giove, e orbita intorno alla sua stella primaria ogni 335 giorni. La stella primaria ha una stella partner relativamente vicina, verso la quale il pianeta non orbita. Questa coppia, a sua volta, è bloccata in un'orbita a lunga distanza con un'altra coppia di stelle a circa 1.670 unità astronomiche (un'unità astronomica è la distanza tra la Terra e il sole). Gli astronomi pensano che sia altamente improbabile che questo pianeta, o le lune che potrebbero circondarlo, possano sostenere la vita.

Se fosse possibile vedere i cieli di questo mondo, le quattro stelle madri sembrerebbero un piccolo sole e due stelle molto luminose che sarebbero visibili alla luce del giorno. Una di quelle stelle, se vista con un telescopio sufficientemente grande, si rivelerebbe essere un sistema binario, o due stelle in orbita l'una intorno all'altra.

Negli ultimi anni sono stati trovati decine di pianeti con due o tre stelle madri, compresi quelli con tramonti "Tatooine" che ricordano i film di Star Wars. Trovare pianeti con più genitori non è una sorpresa, considerando che le stelle binarie sono più comuni nella nostra galassia rispetto alle stelle singole.

"I sistemi stellari sono disponibili in una miriade di forme. Possono esserci stelle singole, stelle binarie, stelle triple, persino sistemi stellari quintuple", ha affermato Lewis Roberts del JPL, autore principale delle nuove scoperte Giornale Astronomico. "È incredibile il modo in cui la natura mette insieme queste cose".

Roberts e i suoi colleghi vogliono capire gli effetti che più stelle madri possono avere sui loro giovani pianeti in via di sviluppo. L'evidenza suggerisce che i compagni stellari possono influenzare il destino dei pianeti cambiando le orbite dei pianeti e persino facendo sì che alcuni diventino più massicci. Ad esempio, i "Giove caldi" - pianeti intorno alla massa di Giove che si avvicinano strettamente alle loro stelle in pochi giorni - potrebbero essere delicatamente spinti più vicini alla loro stella madre primaria dalla mano gravitazionale di un compagno stellare.

Nel nuovo studio, i ricercatori descrivono l'utilizzo del sistema automatizzato Robo-AO sull'Osservatorio di Palomar per scansionare i cieli notturni, cercando ogni notte centinaia di stelle alla ricerca di segni di compagne stellari. Hanno trovato due candidati che ospitano esopianeti: il sistema a quattro stelle 30 Ari e un sistema planetario a tre stelle chiamato HD 2638. I risultati sono stati confermati utilizzando lo strumento PALM-3000 ad alta risoluzione, sempre all'Osservatorio di Palomar.

Il nuovo pianeta con un trio di stelle è un Giove caldo che circonda strettamente la sua stella primaria, completando un giro ogni tre giorni. Gli scienziati sapevano già che questa stella primaria era bloccata in un tango gravitazionale con un'altra stella, a circa 0,7 anni luce di distanza, o 44.000 unità astronomiche. È relativamente distante per una coppia di compagni stellari. L'ultima scoperta riguarda una terza stella nel sistema, che orbita intorno alla stella primaria da una distanza di 28 unità astronomiche, abbastanza vicine da aver influenzato lo sviluppo e l'orbita finale del caldo Giove.

"Questo risultato rafforza la connessione tra più sistemi stellari e pianeti massicci", ha affermato Roberts.

Nel caso di Ari 30, la scoperta ha portato il numero di stelle conosciute nel sistema da tre a quattro. La quarta stella si trova ad una distanza di 23 unità astronomiche dal pianeta. Sebbene questa compagna stellare e il suo pianeta siano più vicini l'uno all'altro rispetto a quelli del sistema HD 2638, la nuova stella non sembra aver avuto un impatto sull'orbita del pianeta. La ragione esatta di ciò è incerta, quindi il team sta pianificando ulteriori osservazioni per comprendere meglio l'orbita della stella e le sue complicate dinamiche familiari.

Il JPL è gestito per la NASA dal California Institute of Technology di Pasadena.


Una tecnica innovativa consente agli scienziati di saperne di più sull'elusivo esopianeta Tau Bootis b

L'impressione di questo artista mostra l'esopianeta Tau Bootis b. Questo è stato uno dei primi esopianeti ad essere scoperto nel 1996, ed è ancora uno dei sistemi planetari più vicini conosciuti fino ad oggi. Gli astronomi che utilizzano il Very Large Telescope dell'ESO hanno ora catturato e studiato per la prima volta la debole luce del pianeta Tau Bootis b. Utilizzando un intelligente trucco di osservazione, il team scopre che l'atmosfera del pianeta sembra essere più fresca più in alto, l'opposto di quanto previsto. Credito: ESO/L. Calçada

Per la prima volta una nuova tecnica ha permesso agli astronomi di studiare in dettaglio l'atmosfera di un esopianeta, anche se non passa davanti alla sua stella madre. Un team internazionale ha utilizzato il Very Large Telescope dell'ESO per catturare direttamente il debole bagliore del pianeta Tau Boötis b, risolvendo un problema di 15 anni. Il team scopre anche che l'atmosfera del pianeta sembra essere più fresca più in alto, diversamente dal previsto.

Il pianeta Tau Bootis b è stato uno dei primi esopianeti ad essere scoperto nel 1996, ed è ancora uno degli esopianeti più vicini conosciuti. Sebbene la sua stella madre sia facilmente visibile ad occhio nudo, il pianeta stesso non lo è certamente, e fino ad ora poteva essere rilevato solo dai suoi effetti gravitazionali sulla stella. Tau Bootis b è un grande pianeta "hot Jupiter" che orbita molto vicino alla sua stella madre.

Come la maggior parte degli esopianeti, questo pianeta non transita sul disco della sua stella (come il recente transito di Venere). Finora tali transiti erano essenziali per consentire lo studio delle atmosfere calde di Giove: quando un pianeta passa davanti alla sua stella imprime le proprietà dell'atmosfera sulla luce stellare. Poiché nessuna luce stellare brilla attraverso l'atmosfera di Tau Bootis b verso di noi, ciò significa che l'atmosfera del pianeta non poteva essere studiata prima.

Questa animazione mostra come apparirebbe un sistema quando l'inclinazione viene variata. Per Tau Bootis viene misurata un'inclinazione di 44 gradi. Nota che l'animazione non è in scala: la dimensione del pianeta è esagerata. Credito: ESO/L. Calcada

Ma ora, dopo 15 anni di tentativi di studiare il debole bagliore emesso dagli esopianeti caldi di Giove, gli astronomi sono finalmente riusciti a sondare in modo affidabile la struttura dell'atmosfera di Tau Bootis b ea dedurne con precisione la massa per la prima volta. Il team ha utilizzato lo strumento CRIRES sul Very Large Telescope (VLT) presso l'Osservatorio dell'ESO al Paranal in Cile. Hanno combinato osservazioni infrarosse di alta qualità (a lunghezze d'onda intorno a 2,3 micron) con un nuovo trucco intelligente per estrarre il segnale debole del pianeta da quello molto più forte della stella madre.

L'autore principale dello studio Matteo Brogi (Osservatorio di Leiden, Paesi Bassi) spiega: "Grazie alle osservazioni di alta qualità fornite dal VLT e da CRIRES siamo stati in grado di studiare lo spettro del sistema in modo molto più dettagliato di quanto fosse possibile prima. Solo circa lo 0,01% della luce che vediamo proviene dal pianeta e il resto dalla stella, quindi non è stato facile".

In questa animazione, il pianeta, la sua orbita e la sua stella sono approssimativamente in scala e l'inclinazione dell'orbita è come la vediamo dalla Terra. Credito: ESO/L. Calcada

La maggior parte dei pianeti intorno ad altre stelle sono stati scoperti dai loro effetti gravitazionali sulle loro stelle madri, il che limita le informazioni che possono essere raccolte sulla loro massa: consentono solo di calcolare un limite inferiore per la massa di un pianeta. La nuova tecnica sperimentata qui è molto più potente. Vedere direttamente la luce del pianeta ha permesso agli astronomi di misurare l'angolo dell'orbita del pianeta e quindi di calcolarne con precisione la massa. Tracciando i cambiamenti nel moto del pianeta mentre orbita attorno alla sua stella, il team ha determinato in modo affidabile per la prima volta che Tau Bootis b orbita attorno alla sua stella ospite con un angolo di 44 gradi e ha una massa sei volte quella del pianeta Giove nel nostro proprio Sistema Solare.

"Le nuove osservazioni del VLT risolvono il problema di 15 anni della massa di Tau Bootis b. E la nuova tecnica significa anche che ora possiamo studiare le atmosfere degli esopianeti che non transitano nelle loro stelle, oltre a misurare con precisione le loro masse , che prima era impossibile", afferma Ignas Snellen (Osservatorio di Leiden, Paesi Bassi), coautore dell'articolo. "Questo è un grande passo avanti".

Oltre a rilevare il bagliore dell'atmosfera e misurare la massa di Tau Bootis b, il team ha sondato la sua atmosfera e misurato la quantità di monossido di carbonio presente, nonché la temperatura a diverse altitudini mediante un confronto tra le osservazioni e modelli teorici . Un risultato sorprendente di questo lavoro è stato che le nuove osservazioni hanno indicato un'atmosfera con una temperatura che scende più in alto. Questo risultato è l'esatto opposto dell'inversione di temperatura - un aumento della temperatura con l'altezza - riscontrata per altri esopianeti caldi di Giove.

Le osservazioni del VLT mostrano che la spettroscopia ad alta risoluzione da telescopi terrestri è uno strumento prezioso per un'analisi dettagliata delle atmosfere degli esopianeti non in transito. Il rilevamento di diverse molecole in futuro consentirà agli astronomi di saperne di più sulle condizioni atmosferiche del pianeta. Effettuando misurazioni lungo l'orbita del pianeta, gli astronomi potrebbero persino essere in grado di monitorare i cambiamenti atmosferici tra la mattina e la sera del pianeta.

"Questo studio mostra l'enorme potenziale dei telescopi terrestri attuali e futuri, come l'E-ELT. Forse un giorno potremmo persino trovare prove dell'attività biologica su pianeti simili alla Terra in questo modo", conclude Ignas Snellen.


Rilevamento del vapore acqueo su un "Giove caldo" intorno a Tau Bootis

Per la prima volta, un team di astronomi americani ha utilizzato la spettroscopia nel vicino infrarosso per rilevare direttamente il vapore acqueo nell'atmosfera di un pianeta gigante gassoso in orbita ravvicinata attorno a Tau Bootis, una stella luminosa in Bootes che potrebbe aver persino aiutato Ulisse a tornare a casa da Troia.

Ma nemmeno Ulisse avrebbe potuto immaginare che la spettroscopia del 21° secolo avrebbe preso in giro i dati dall'atmosfera infernale di un pianeta di 3,8 massa di Giove attorno a una stella a soli 50 anni luce dalla Terra.

L'acqua è stata rilevata nelle atmosfere di diversi pianeti extrasolari utilizzando altre tecniche. Tuttavia, questo rilevamento tramite emissione termica, come riportato in Le Lettere del Giornale Astrofisico, consente agli astronomi di caratterizzare direttamente le atmosfere di tali "giovi caldi".

Concezione artistica di un pianeta extrasolare di Giove caldo in orbita attorno a una stella simile a Tau Boötis. . [+] Credito: permesso di immagine di David Aguilar, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

"Questa scoperta dell'acqua su Tau Bootis b è assolutamente meravigliosa", ha detto il cacciatore di pianeti extrasolari di lunga data Geoff Marcy, astronomo dell'Università della California a Berkeley, che insieme all'astronomo Paul Butler, ha scoperto per la prima volta il pianeta nel 1996.

Ed è tanto più "incredibile", dice Marcy, considerando che solo 18 anni fa, lui e i suoi colleghi pensavano ancora che fosse "un miracolo" essere in grado di rilevare indirettamente tali pianeti extrasolari di massa di Giove, per non parlare delle loro atmosfere.

L'astronomo della Penn State University Chad Bender, uno dei coautori del documento, afferma che questa è la prima volta che qualcuno rileva l'acqua in un pianeta non in transito. Cioè, un pianeta la cui atmosfera è sondata dal bagliore di fondo della sua stella madre.

Questo è importante, dice Bender, perché la popolazione di pianeti extrasolari non in transito è molto più grande di quelli che dalla nostra linea di vista sembrano transitare attraverso la faccia delle loro stelle madri.

Nel 2011, Bender e colleghi hanno utilizzato il telescopio Keck II da 10,2 metri in cima al Mauna Kea alle Hawaii per acquisire gli spettri del pianeta in cinque notti separate.

"Abbiamo preso spettri misti sia dalla stella che dal pianeta", ha detto Bender. "Il trucco è stato separare le firme chimiche in quegli spettri --- quelle che appartenevano alla stella e quelle che appartenevano al pianeta."

Poiché il pianeta è circa 10.000 volte più debole della stella, afferma Bender, la luce della stella travolge completamente gli spettri del pianeta. Ma dice che lo spettro del vicino infrarosso preso da lui e dai suoi colleghi è stato eseguito ad alta risoluzione, il che ha permesso al team di rilevare diverse righe molecolari di spettri che, in questo caso, includevano acqua.

Bender ha sottolineato che gli spettri che hanno ricevuto non provenivano dall'albedo del pianeta (o dalla luce riflessa dalla sua stella madre), ma piuttosto dalla luce generata dal calore atmosferico del pianeta, poiché orbita attorno alla sua stella madre Tau Bootis una volta ogni 3,3 giorni.

La speranza è che gli astronomi saranno in grado di utilizzare la stessa tecnica per prendere gli spettri di pianeti molto più freddi che non sono bloccati in orbite così strette attorno alle loro stelle madri.

Ma è davvero possibile prendere spettri di pianeti molto più freddi che non sono bloccati in orbite strette attorno alle loro stelle madri?

"Osservare pianeti simili alla terra nella zona abitabile sarà difficile perché avranno atmosfere a temperature simili alla terra", ha detto Bender. "Ciò significa che il contrasto tra il pianeta e la stella è davvero molto estremo --- qualcosa come dieci ordini di grandezza di differenza".

Ciò, afferma Bender, richiederà almeno la prossima generazione di grandi telescopi, come il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA o il Thirty Meter Telescope (TMT) di Caltech, un colosso pianificato a terra.

Pertanto, sebbene l'acqua sembri essere onnipresente, Benders ammette che la tecnologia ha ancora molta strada da fare prima che diventi sensibile alle terre in una zona abitabile, dove sarebbe presente acqua liquida.

Ma come osserva Marcy: “Questa scoperta ci ricorda che l'idrogeno e l'ossigeno sono così abbondanti nell'universo che l'H2O deve essere onnipresente. Considerando che l'acqua è la "sine qua non" della vita, questo è di buon auspicio per la possibilità di altre creature che sognano viaggi ed esplorazioni galattiche".


I giganti "Hot Jupiters" possono crescere ancora più grandi con l'età

I pianeti giganti che orbitano vicino alle loro stelle possono diventare ancora più grandi con l'età, secondo un nuovo studio.

Questa scoperta potrebbe far luce su come i pianeti interagiscono con le loro stelle, dicono i ricercatori.

Negli ultimi due decenni, gli astronomi hanno confermato l'esistenza di oltre 3.400 mondi al di fuori del sistema solare terrestre. Queste scoperte hanno rivelato che alcuni di questi esopianeti, come i "Giove caldi" - giganti gassosi che orbitano intorno alle loro stelle più vicino di quanto Mercurio faccia il sole - sono molto diversi da quelli visti nel sistema solare terrestre. [Estremamente caldo e incredibilmente vicino: come sfidano la teoria di Giove caldi]

Ricerche precedenti hanno trovato un numero crescente di esopianeti più grandi del previsto sulla base di modelli teorici di formazione ed evoluzione planetaria. Potrebbe essere che questi pianeti non nascano extra-grandi, ma si gonfiano nel tempo come mongolfiere a causa del calore irradiato dalle loro stelle.

"La dimensione di un pianeta gigante gassoso è determinata principalmente dal calore nelle profondità interne del pianeta, e poiché questi pianeti non generano [nuovo] calore internamente, ci si aspetterebbe che si raffreddino e si contraggano nel tempo", ha affermato il responsabile dello studio. autore Joel Hartman, astronomo alla Princeton University. "L'unico modo in cui possono diventare più grandi nel tempo è se parte dell'energia radiativa della stella si sta in qualche modo penetrando in profondità nel pianeta e riscaldandolo".

Per aiutare a risolvere questo mistero, gli scienziati hanno esaminato due nuovi Giove caldi chiamati HAT-P-65b e HAT-P-66b. Sono stati scoperti utilizzando l'Automated Telescope Network (HATNet) di fabbricazione ungherese in Arizona e Hawaii. Questi pianeti extrasolari si trovano rispettivamente a circa 2.745 e 3.025 anni luce dalla Terra. Entrambi orbitano attorno a stelle che sono poco più di 1,2 volte la massa del sole, e questi esopianeti circondano le loro stelle a distanze circa 10 volte più vicine di Mercurio rispetto al sole.

Sebbene HAT-P-65b e HAT-P-66b siano solo circa 0,5 e 0,8 volte la massa di Giove, hanno circa 1,9 e 1,6 volte il diametro di Giove, il che significa che questi pianeti sono insolitamente gonfi per la loro massa. Sono tra i più grandi Giove caldi conosciuti. I ricercatori hanno confrontato questi giganti gassosi ingranditi con più di 200 altri esopianeti che orbitano strettamente intorno alle loro stelle.

I ricercatori hanno scoperto che gli esopianeti di grandi dimensioni si trovano spesso intorno a stelle più vecchie. Ad esempio, HAT-P-65b e HAT-P-66b hanno circa 5,46 miliardi e 4,66 miliardi di anni e le loro stelle hanno rispettivamente circa l'84 e l'83 percento della loro durata di vita.

Le stelle diventano più luminose man mano che si avvicinano alla fine del loro tempo sulla "sequenza principale", cioè le parti più stabili della vita di quelle stelle. I ricercatori suggeriscono che quando le stelle invecchiano, si rigonfiano i pianeti che orbitano vicino a loro.

"Apparentemente, i Giove caldi diventano più grandi con l'età", ha detto Hartman a Space.com.

Fino ad ora, i ricercatori non avevano prove convincenti che i Giove caldi stessero effettivamente diventando più grandi nel tempo, al contrario della possibilità che i ricercatori stessero osservando i Giove caldi che erano semplicemente nati più grandi del previsto, ha detto Hartman. Questa nuova scoperta "ha importanti implicazioni per la nostra comprensione di come si formano i pianeti, di come si evolvono nel tempo e dei processi fisici in gioco all'interno di questi pianeti", ha affermato.

In futuro, ha detto Hartman, vorrebbe indagare sugli esopianeti delle stelle che sono invecchiate dalla sequenza principale (la fase più lunga della vita per una stella) per diventare stelle giganti e gonfie.

"Mi piacerebbe vedere se i giganti gassosi su orbite larghe, come il nostro Giove, diventano estremamente gonfiati quando vengono riscaldati in modo significativo dall'ospite", ha detto Hartman. Ciò consentirebbe ai ricercatori di sapere quanto velocemente i pianeti reagiscono ai cambiamenti nella radiazione stellare, ha detto.

Gli scienziati hanno dettagliato le loro scoperte nel numero di dicembre della rivista Astronomical Journal.

Nota dell'editore: questo articolo in precedenza affermava che questi gioviani caldi e gonfi hanno entrambi masse pari a circa 1,2 volte la massa del sole, sono le stelle madri degli esopianeti che sono 1,2 volte la massa del sole.


Gli astronomi sondano il pianeta "in fase di evaporazione" attorno alla stella vicina con il telescopio Hobby-Eberly

(Phys.org) -- Gli astronomi dell'Università del Texas ad Austin e della Wesleyan University hanno usato l'Hobby-Eberly Telescope all'osservatorio McDonald di UT Austin per confermare che un pianeta delle dimensioni di Giove in un vicino sistema solare si sta dissolvendo, anche se in modo atroce lentamente, a causa delle interazioni con la sua stella madre. Le loro scoperte potrebbero aiutare gli astronomi a comprendere meglio le interazioni stella-pianeta in altri sistemi stellari che potrebbero coinvolgere la vita.

L'opera sarà pubblicata nell'edizione del 1 giugno di Il Giornale Astrofisico in un documento condotto dal ricercatore post-dottorato della Wesleyan University Adam Jensen. Il team comprende gli astronomi dell'Università del Texas Michael Endl e Bill Cochran, nonché il professore di Wesleyan Seth Redfield.

La stella, HD 189733, si trova a circa 63 anni luce di distanza nella costellazione della Vulpecula, la piccola volpe.

Nel 2010 un altro team ha studiato questa stella alla luce ultravioletta con il telescopio spaziale Hubble e ha scoperto che il suo pianeta (chiamato HD 189733b) sta scaricando idrogeno nello spazio.

Lo studio texano-wesleyano ha scoperto che questo flusso di idrogeno gassoso — studiato in una diversa gamma di lunghezze d'onda da uno dei più grandi telescopi terrestri del mondo — è molto più caldo di quanto si pensasse. Questa temperatura è importante: indica che i violenti bagliori emessi da questa stella interagiscono con l'atmosfera del pianeta.

 Anche se questo pianeta non è pensato per essere una casa per la vita, tali studi potrebbero aiutare gli astronomi a capire come le interazioni tra le stelle "genitrici" e i loro pianeti "figli" potrebbero influenzare la vita che potrebbe sorgere in altri sistemi stellari.

"Un giorno useremo tecniche simili per sondare l'atmosfera di pianeti più piccoli, simili alla Terra", ha detto Endl dell'Università del Texas. "Penso che il ritmo del progresso sia sbalorditivo, per non dire altro. Vent'anni fa non sapevamo davvero di nessun esopianeta, e ora sondare e studiare le loro atmosfere".

 Il pianeta HD 189733b non è come la Terra — è un gigante gassoso del 20% più pesante di Giove che orbita 10 volte più vicino alla sua stella madre di quanto Mercurio fa al nostro sole, un tipo esotico di pianeta che gli astronomi hanno soprannominato un "caldo Giove."

 Ad oggi, gli astronomi hanno scoperto quasi 700 pianeti in orbita attorno alle stelle nella nostra galassia (con miliardi di sospettati), ma hanno sondato le atmosfere di solo una manciata, utilizzando telescopi spaziali e i più grandi telescopi terrestri come l'Hobby-Eberly Telescope (HET).

 Gli studi sull'atmosfera di questo pianeta sono possibili perché passa davanti alla sua stella madre vista dalla Terra.

 “Ogni volta che il pianeta passa davanti alla stella,” Redfield, “il pianeta blocca parte della luce della stella. Se il pianeta non ha atmosfera, bloccherà la stessa quantità di luce a tutte le lunghezze d'onda. Tuttavia, se il pianeta ha un'atmosfera, i gas nella sua atmosfera assorbiranno ulteriore luce.” I passaggi sono chiamati transiti.

 Nel 2007 come ricercatore post-dottorato presso l'Osservatorio McDonald, Redfield ha annunciato di aver trovato il sodio nell'atmosfera di questo pianeta. Quell'annuncio si basava su centinaia di osservazioni HET distribuite su un anno, scattate sia con il pianeta di fronte alla stella ("in transito") sia quando il pianeta non lo era. Sottrarre quest'ultimo dal primo ha fornito lo "spettro di trasmissione" del pianeta.

 Gli astronomi determinano lo spettro di una stella o di un pianeta quando diffondono la luce raccolta dal telescopio nelle sue lunghezze d'onda componenti — una versione più sofisticata della luce che passa attraverso un prisma per produrre un arcobaleno. Lo spettro è come un codice a barre che gli astronomi possono leggere per determinare la composizione chimica dell'oggetto, la temperatura, la velocità e la direzione del movimento.

 Oggi, il borsista post-dottorato di Redfield, Adam Jensen, sta studiando la stessa serie di osservazioni del telescopio e molte altre aggiunte da Endl negli anni successivi.

 Solo determinare lo spettro di un pianeta in transito, per non parlare di essere in grado di decodificarlo, è un'impresa difficile. Quando questo pianeta passa davanti alla sua stella madre, blocca solo il 2,5 percento della luce totale della stella, più un altro 0,3 percento per l'atmosfera del pianeta. Tirare fuori lo 0,3 percento e decodificarlo è l'obiettivo.


Gli astronomi scoprono la neve della protezione solare 039 che cade sul caldo esopianeta hot

UNIVERSITY PARK, Pa. — Astronomers at Penn State have used the Hubble Space Telescope to find a blistering-hot giant planet outside our solar system where the atmosphere "snows" titanium dioxide — the active ingredient in sunscreen. These Hubble observations are the first detections of this "snow-out" process, called a "cold trap," on an exoplanet. This discovery, and other observations made by the Penn State team, provide insight into the complexity of weather and atmospheric composition on exoplanets, and may someday be useful for gauging the habitability of Earth-size planets.

"In many ways, the atmospheric studies we're doing now on these gaseous 'hot Jupiter' kinds of planets are test beds for how we're going to do atmospheric studies of terrestrial, Earth-like planets," said Thomas Beatty, assistant research professor of astronomy at Penn State and the lead author of the study. "Understanding more about the atmospheres of these planets and how they work will help us when we study smaller planets that are harder to see and have more complicated features in their atmospheres." The team's results are published in the October issue of The Astronomical Journal.

Beatty's team targeted planet Kepler-13Ab because it is one of the hottest of the known exoplanets. Its dayside temperature is nearly 5,000 degrees Fahrenheit. Kepler-13Ab is so close to its parent star that it is tidally locked, so one side always faces the star while the other side is in permanent darkness. The team discovered that the "sunscreen snowfall" happens only on the planet's permanent nighttime side. Any visitors to this exoplanet would need to bottle up some of that sunscreen, because they won't find it on the sizzling-hot daytime side.

The astronomers didn't go looking for titanium oxide specifically. Instead, their studies revealed that this giant planet's atmosphere is cooler at higher altitudes — which was surprising because it is the opposite of what happens on other hot Jupiters. Titanium oxide in the atmospheres of other hot Jupiters absorbs light and reradiates it as heat, making the atmosphere grow warmer at higher altitudes. Even at their much colder temperatures, most of our solar system's gas giants also have warmer temperatures at higher altitudes.

Intrigued by this discovery, researchers concluded that the light-absorbing gaseous form of titanium oxide has been removed from the dayside of planet Kepler-13Ab's atmosphere. Without the titanium oxide gas to absorb incoming starlight on the daytime side, the atmospheric temperature there grows colder with increasing altitude.

The astronomers suggest that powerful winds on Kepler-13Ab carry the titanium oxide gas around, condensing it into crystalline flakes that form clouds. Kepler-13Ab's strong surface gravity — six times greater than Jupiter's — then pulls the titanium oxide snow out of the upper atmosphere and traps it in the lower atmosphere on the nighttime side of the planet.

This illustration shows the seething hot planet Kepler-13Ab that circles very close to its host star, Kepler-13A. In the background is the star's binary companion, Kepler-13B, and the third member of the multiple-star system is the orange dwarf star Kepler-13C.

"Understanding what sets the climates of other worlds has been one of the big puzzles of the last decade," said Jason Wright, associate professor of astronomy at Penn State, and one of the study's co-authors. "Seeing this cold-trap process in action provides us with a long sought and important piece of that puzzle."

The team's observations confirm a theory from several years ago that this kind of precipitation could occur on massive, hot planets with powerful gravity. "Presumably, this precipitation process is happening on most of the observed hot Jupiters, but those gas giants all have lower surface gravities than Kepler-13Ab," Beatty explained. "The titanium oxide snow doesn't fall far enough in those atmospheres, and then it gets swept back to the hotter dayside, revaporizes, and returns to a gaseous state."

The researchers used Hubble's Wide Field Camera 3 to conduct spectroscopic observations of the exoplanet's atmosphere in near-infrared light. Hubble made the observations as the distant world traveled behind its star, a transit event called a secondary eclipse. This type of transit yields information on the temperature of the components of the atmosphere on the exoplanet's dayside.

"These observations of Kepler-13Ab are telling us how condensates and clouds form in the atmospheres of very hot Jupiters, and how gravity will affect the composition of an atmosphere," Beatty explained. "When looking at these planets, you need to know not only how hot they are, but also what their gravity is like."

The research team led by Thomas Beatty includes Ming Zhao, Jason Wright and Ronald Gilliland (Penn State, University Park), Nikku Madhusudhan (University of Cambridge, U.K.), Angelos Tsiaras (University College London, U.K.), and Avi Shporer and Heather Knutson (California Institute of Technology, Pasadena, California).

The Kepler-13 system is 1,730 light-years from Earth. The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). Il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, gestisce il telescopio. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., in Washington, D.C.

This research was funded by NASA and the Penn State Center for Exoplanets and Habitable Worlds.


Shocking environment of hot Jupiters

Jupiter-like worlds around other stars push shock waves ahead of them, according to a team of UK astronomers. Just as Earth's magnetic "bow-shock" protects us from the high-energy solar wind, these planetary shocks protect their atmospheres from their star's damaging emissions.

Team member Dr Aline Vidotto of the University of St Andrews presented a new model based on observations made with the SuperWASP (Wide Angle Search for Planets) project on April 18 at the National Astronomy Meeting in Llandudno, Wales.

In 2008, observations of WASP-12 detected a periodic dip in light as a large planet (catalogued as WASP-12b) passed in front of its host star. Planet hunting with transit instruments like SuperWASP allows astronomers to obtain a wealth of information about exoplanetary systems including their composition and size.

WASP-12b turns out to be one of the largest exoplanets found to date and completes each orbit around its parent star in just 26 hours. The planet is more than 250,000 km across, with its atmosphere swollen by the intense heat it receives from the star, making it a so-called 'hot Jupiter'.

Hot Jupiters are similar to the planet Jupiter in our own Solar System but located far closer to their host star (WASP-12b is 3.4 million km away from WASP-12 which compares with Earth-Sun distance of 150 million km). With such a small distance between them violent interactions between the star and the planet can take place.

As one of the largest hot Jupiters discovered to date, WASP-12b also gives a unique opportunity to observe the interactions between the planetary magnetic field and the host star's magnetic field. The very presence of a magnetic field reveals that the planet must have a conducting, rotating interior.

There is now tantalizing new evidence from Hubble Space Telescope data that a magnetosphere exists around WASP-12b. Observations of the planet taken in ultraviolet wavelengths by a team including scientists from the Open University reveal that the start of the dip in the light from the star during the transit of the planet is earlier in ultraviolet than visible light. Originally, this was thought to be caused by material flowing from the planet onto the star. The St Andrews group have however determined that the planet ploughs into a supersonic headwind and pushes a shock ahead it -- just like the one around a supersonic jet aircraft.

The St Andrews astronomers carried out simulations of a planet and its bow shock transiting a star and by investigating various shock geometries, orientations and densities have reproduced the dip in ultraviolet light observed in WASP-12b.

Team leader Dr Aline Vidotto commented on the new result. "The location of this bow shock provides us with an exciting new tool to measure the strength of planetary magnetic fields. This is something that presently cannot be done in any other way."

Joe Llama, a PhD student who carried out the simulations of the bow shock, said "Our models are able to reproduce the data from the Hubble Space telescope for a range of wind speeds implying that bow shocks could be far more commonplace than had been thought."

Bow shocks may also protect the atmospheres of hot Jupiters from their harsh environment. These planets are constantly bombarded with highly charged, energized particles from the wind from their parent stars, meaning that their atmosphere can be eroded. The presence of a magnetic field could greatly reduce the amount of stellar wind the planet is exposed to, effectively acting as a shield and helping the atmosphere survive.

Joe Llama concludes, "Although our model predicts a bow shock similar to that of the Earth, we are not expecting any messages from WASP-12b as it is too hot to support life. But the first hints that extrasolar planets have magnetosphere is a big step forward in understanding and identifying the habitable zones where we ultimately hope to find signs of life."