Svelata l'atmosfera dei misteriosi pianeti sub-nettuniani, i più diffusi nella Galassia ma assenti nel Sistema Solare

I pianeti sub-nettuniani sono i più diffusi nella nostra Galassia, ma assenti nel Sistema Solare. Finalmente siamo riusciti ad analizzarne l'atmosfera. Questo apre la strada a comprendere la formazione, l'evoluzione e il perché non ce ne siano attorno al Sole.

Toi 421b — Rappresentazione artistica di come potrebbe apparire il pianeta sub-nettuniano TOI 421b con la sua stella di sfondo. Crdit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

La foschia e gli spessi strati di nubi che li oscurano avevano fino ad oggi impedito di analizzare l’atmosfera dei pianeti sub-nettuniani. Ma con TOI 421 b è andata diversamente

Esiste una numerosa varietà di esopianeti, ma tra tutte la più diffusa, almeno nella nostra Galassia, è quella dei pianeti sub-nettuniani. Sebbene sia la tipologia più diffusa nella Galassia (la nostra Via Lattea), e forse anche nell'Universo, misteriosamente è assente proprio nel nostro Sistema Solare.

Come è fatto un pianeta sub-nettuniano

Come indica il termine sub-nettuniano, sono pianeti più piccoli di Nettuno ma comunque più grandi della Terra e generalmente orbitano vicino alla loro stella. Di questi pianeti in effetti ne esistono due sotto-gruppi: pianeti un po’ più grandi caratterizzati da una spessa atmosfera di idrogeno e pianeti un po’ più piccoli (ma comunque più grandi della Terra) privi di atmosfera (meno numerosi).

Essendo assenti nel Sistema Solare, non è per gli astronomi semplice ricostruire la storia della loro formazione ed evoluzione. Tuttavia, si pensa che entrambi, sia i più piccoli sia i più grandi, si siano formati allo stesso modo, e quasi contemporaneamente alla loro stella madre. Mentre i più piccoli hanno rapidamente perso la loro atmosfera, i più grandi (grazie alla loro maggiore gravità) sono riusciti a trattenerla.

Questi pianeti sono interamente avvolti da foschia e spessi strati di nuvole che hanno da sempre ostacolato lo studio delle loro atmosfere.

Grazie alle potenzialità del telescopio James Webb si apre la possibilità di poter analizzare le atmosfere di questi pianeti per capire come si sono formati, evoluti e perché non si sono formati nel nostro Sistema Solare.

sub-neptune — Le dimensioni di un pianeta sub-nettuniano a confronto con quelle della Terra. Credit: NASA

I primi studi sulle atmosfere dei sub-nettuniani, realizzate sfruttando la tecnica della spettroscopia di trasmissione, non hanno rivelato la presenza di alcun elemento chimico, da cui si è dedotto che fossero oscurati da un’abbondante presenza di nubi e foschia.

Tuttavia, c’era il sospetto (la speranza) che al di sopra di una certa temperatura superficiale, sopra i 700 K, ossia nei sub-nettuniani "caldi" lo strato di nubi dovesse essere meno spesso o addirittura assente.

Il pianeta TOI 421 b

Avendo una temperatura di circa 1000 K, e quindi senza coltre di nubi e foschia, il sub-nettuniano TOI 421b era il target ideale per un’analisi dell'atmosfera con il James Webb. Questa intuizione di Eliza Kempton della University of Maryland, College Park, la Principal Investigator del progetto di ricerca, era corretta!

Le osservazioni di James Webb hanno svelato in TOI 421b un’atmosfera ricca di idrogeno, vapore d’acqua, monossido di carbonio, diossido di zolfo.

La sorpresa, in quanto si pensava l'opposto, è stata scoprire un’atmosfera ricca di elementi leggeri come l’idrogeno.

sub-nettuniano — La contre di nubi e la foschia, come in questa rappresentazione artistica, rendono impossibile analizzare la loro atmosfera. Credit: Pablo Carlos Budassi

Immaginando di raffreddare il gas che compone la stella TOI 421, una stella simile al Sole, alla temperatura di TOI 421b si ottiene la stessa composizione osservata da James Webb. E’ come se il pianeta fosse stato ricoperto dallo stesso gas da cui si è formata la stella.

Questo è ciò che succede nella formazione dei pianeti gassosi, ma molto diverso da quello che avviene nella formazione dei sub-nettuniani freddi osservati in passato.

La domanda aperta è se TOI 421b sia un pianeta peculiare, non rappresentativo della famiglia di sub-nettuniani. La risposta verrà solo dall’osservazione di altri sub-nettuniani caldi attorno a stelle simili al Sole di cui è in corso la ricerca.

Riferimenti allo studio

"TOI-421 b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere", Brian Davenport et al 2025 ApJL 984 L44