Formidabile foto di fasce di asteroidi extrasolari catturata dal telescopio James Webb

Un disco di asteroidi è stato osservato attorno alla stella Fomalhaut dal telescopio spaziale James Webb. Si tratta di un disco simile alla fascia di Kuiper nel Sistema Solare e la cui struttura lascia presupporre la presenza di uno o più esopianeti.

Fomalhaut_JWST — Immagine del disco circumstellare della stella Fomalhaut osservata dal telescopio spaziale James Webb. Si notano distintamente le tre fasce di asteroidi. Credit: Image: NASA, ESA, CSA Image Processing and Science: András Gáspár (University of Arizona), Alyssa Pagan (STScI).

Si chiama James Webb, o più precisamente telescopio spaziale James Webb (chiamato brevemente JWST), l'autore di questa bellissima foto delle tre fasce di asteroidi attorno alla stella Fomalhaut.

L'immagine è stata ottenuta recentemente con lo strumento MIRI a bordo di JWST, che osserva nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico, banda ideale per scovare attorno alle stelle appunto dischi di polvere e detriti (chiamati debris disks in inglese), nonché per scoprire esopianeti.

La stella Fomalhaut, una vecchia conoscenza

Si tratta di una stella di circa 400 milioni di anni a 25 anni luce dal Sole, la più brillante della costellazione del Pesce Australe, ma anche la 18esima più brillante tra tutte le stelle visibili ad occhio nudo (cioè senza ausilio di telescopio). Il nome è di origine araba e significa “nella bocca del pesce” come suggerisce la sua posizione all’interno della costellazione del Pesce Australe.

Moltissime tra le stelle più brillanti possiedono anche una denominazione araba.
Per alcune stelle questa denominazione fu data originariamente da astronomi arabi, ma per la maggior parte si tratta di una traduzione in arabo dell’originario nome greco presente nel trattato Almagesto del 150 d.C. scritto dall’astronomo Tolomeo.

Ciò che ha reso Fomalhaut particolarmente interessante per gli astronomi è il suo disco circumstellare di asteroidi, nel quale si era scovato un esopianeta. Questo esopianeta, seguendo la convenzione adottata per "battezzare" gli esopianeti, era stato chiamato Fomalhaut b.

La scoperta e la successiva caratterizzazione di Fomalhaut b sono stati piuttosto controversi. In una successione di conferme e smentite riguardo la sua esistenza, Fomalhaut b è un buon esempio di come la ricerca della verità anche in astronomia avvenga per tentativi ed errori.

La scoperta e il successivo studio di Fomalhaut b sono stati piuttosto controversi. Anzi, Fomalhaut b offre un buon esempio di come la ricerca anche in astronomia avvenga per tentativi ed errori.

Non è un caso che a distanza di anni gli astronomi siano tornati a osservare questa stella, ma stavolta con la potenza di JWST.

Fomalhaut b: esopianeta sì o no?

L'attenzione per Fomalhaut risale agli anni '70 quando si scoprì che questa stella aveva un eccesso di emissione infrarossa. In altre parole emetteva più energia infrarossa di quanta ne fosse prevista da una stella della sua temperatura superficiale (circa 8600 gradi Kelvin; ovvero di 2800 gradi più calda del Sole).

L'eccesso di emissione infrarossa viene tipicamente osservato quando attorno alla stella sono presenti dischi di polveri e detriti relativamente freddi (meno di 100 gradi Kelvin) o tiepidi (poche centinaia di gradi Kelvin). Un metodo usato per scoprire stelle con dischi è proprio la ricerca di tale eccesso di emissione infrarossa.

Tuttavia, a quell'epoca il potere risolutivo dei telescopi era tale per cui la stella appariva comunque solo come un puntino brillante. È stato il telescopio spaziale Hubble (HST) che nel 2005 ha permesso di ottenere la prima immagine di questa stella a risoluzione tale da vedere bene non solo un disco di asteroidi (vedi foto sotto), ma di scoprire quello che sembrava proprio un esopianeta (vedi riquadro in basso a destra).

Due immagini di HST a distanza di due anni l'una dall'altra evidenziarono anche il moto di questo pianeta per un breve tratto della sua orbita, come mostrato in figura. Si era calcolato che questo esopianeta impiegasse ben 2000 anni per fare un'intera rivoluzione attorno alla sua stella.

Fomalhaut_HST — Immagine del disco ottenuta dal telescopio Hubble. La zona centrale scura è prodotta dal coronografo, mentre le strisce radiali sono residui della luce stellare diffusa; nel riquadro in basso Fomalhaut b in due epoche successive. Credit: NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, E. Kite (University of California), M. Clampin (NASA), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA)

Per poter osservare dischi circumstellari ed esopianeti, essendo questi anche un milione di volte meno brillanti della stella centrale, è necessario bloccare la luce di quest'ultima (con il coronografo). In tutte le immagini di dischi o esopianeti, la stella centrale non è mai visibile poiché la sua luce è stata "artificialmente" rimossa.

Ciò che ha sconcertato gli astronomi è stato osservare negli anni successivi che questo pianeta via via cresceva di dimensioni diventando sempre meno denso. Bisognava proprio ammettere che Fomalhaut b non era un pianeta.

Pare proprio che Fomalhaut b non sia mai esistito.

Quello che HST aveva osservato e che era stato classificato come esopianeta sembra sia piuttosto una densa nuvola di polvere. Questa è stata probabilmente prodotta dall'impatto tra due pianetini (propriamente detti planetesimi) avvenuto poco prima del 2004 e che nel corso degli anni si è via via espansa fino a svanire dalle immagini prese da Hubble nel 2014.

La figura qui sotto riprende (a sinistra) l'immagine presa dal telescopio Hubble e (a destra) mostra un modello dell'evoluzione della nube di polveri, inizialmente scambiata per un esopianeta.

A sinistra un'immagine presa dal telescopio Hubble del disco di Fomalhaut. A destra un modello di Fomalhaut b che mostra come si tratti di una densa nube che via via si è espansa fino a dissolversi. Credit: NASA, ESA, and A. Gáspár and G. Rieke (University of Arizona)

Il disco di asteroidi di Fomalhaut

L'analisi dell'immagine presa da JWST ha sorpreso gli astronomi. Infatti, invece di ritrovare la singola fascia di asteroidi osservata da HST, hanno trovato ben tre fasce, di cui le due più interne mai osservate prima. Il disco di asteroidi si estende radialmente per ben 23 miliardi di km.

Nel nostro sistema solare, oltre a pianeti, lune, comete, esiste una regione esterna (oltre l'orbita di Nettuno) popolata da asteroidi che si sono formati all'epoca della formazione dei pianeti. Questa regione è chiamata fascia di Kuiper. Il disco circumstellare di Fomalhaut con le sue fasce di asteroidi è un analogo della fascia di Kuiper del nostro Sistema Solare.

Le fasce di asteroidi osservati attorno alla stella Fomalhaut sono l'analogo della nostra fascia di Kuiper o, se vogliamo, di come lo era quando il Sole era molto più giovane.

In precedenza, i telescopio Hubble e Alma hanno permesso di scoprire dischi simili nelle regioni più esterne dei sistemi eso-planetari. Il valore aggiunto di JWST è di poter investigare le regioni più interne grazie alla sua camera MIRI che osserva nell'infrarosso. La presenza di dischi, soprattutto se con strutture complesse e gap (cioè zone meno dense) fornisce una forte indicazione della presenza di esopianeti i quali, a volte ancora immersi (e nascosti) nelle polveri del disco, ne scolpiscono gravitazionalmente la forma.