I pianeti si formano in dischi di gas e polvere che orbitano attorno a giovani stelle. Stabilire un campione rappresentativo di dischi è un obiettivo del MIRI Mid-Infrared Disk Survey (MINDS), guidato da Thomas Henning del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, Germania. Esplorando la loro chimica e proprietà fisiche con MIRI (Mid-Infrared Instrument) a bordo del James Webb Space Telescope (JWST), MINDS collega quei dischi alle proprietà dei pianeti potenzialmente in formazione. In un nuovo studio, un team di ricercatori ha esplorato le vicinanze di una stella a bassissima massa di 0,11 masse solari (conosciuta come ISO-ChaI 147), i cui risultati sono apparsi sulla rivista Science.
“Queste osservazioni non sono possibili dalla Terra perché le emissioni di gas rilevanti vengono assorbite dalla sua atmosfera,” ha spiegato l’autore principale Aditya Arabhavi dell’Università di Groningen nei Paesi Bassi. “In precedenza, potevamo identificare solo l’emissione di acetilene (C2H2) da questo oggetto. Tuttavia, la maggiore sensibilità e la risoluzione spettrale degli strumenti di JWST ci hanno permesso di rilevare deboli emissioni da molecole meno abbondanti.”
Il programma MINDS ha trovato gas a temperature intorno a 300 Kelvin (circa 30 gradi Celsius), fortemente arricchiti di molecole contenenti carbonio ma privi di specie ricche di ossigeno. “Questo è profondamente diverso dalla composizione che vediamo nei dischi attorno a stelle di tipo solare, dove dominano molecole contenenti ossigeno come acqua e anidride carbonica,” ha aggiunto il membro del team Inga Kamp dell’Università di Groningen.
Un esempio sorprendente di un disco ricco di ossigeno è quello di PDS 70, dove il programma MINDS ha recentemente trovato grandi quantità di vapore acqueo. Considerando osservazioni precedenti, gli astronomi deducono che i dischi attorno a stelle a bassissima massa evolvono in modo diverso rispetto a quelli attorno a stelle più massicce come il Sole, con potenziali implicazioni per la scoperta di pianeti rocciosi con caratteristiche simili alla Terra. Poiché gli ambienti in tali dischi stabiliscono le condizioni in cui si formano nuovi pianeti, qualsiasi pianeta potrebbe essere roccioso ma abbastanza diverso dalla Terra sotto altri aspetti.
La quantità di materiale e la sua distribuzione in questi dischi limita il numero e le dimensioni dei pianeti che il disco può fornire con il materiale necessario. Di conseguenza, le osservazioni indicano che i pianeti rocciosi con dimensioni simili alla Terra si formano più efficacemente dei giganti gassosi simili a Giove nei dischi attorno a stelle a bassissima massa, le stelle più comuni nell’universo. Di conseguenza, le stelle a bassissima massa ospitano la maggioranza dei pianeti terrestri.
“Molte delle atmosfere primarie di questi pianeti saranno probabilmente dominate da composti idrocarburici e non tanto da gas ricchi di ossigeno come l’acqua e l’anidride carbonica,” ha sottolineato Thomas Henning. “In uno studio precedente abbiamo dimostrato che il trasporto di gas ricco di carbonio nella zona dove di solito si formano i pianeti terrestri avviene più rapidamente e in modo più efficiente in quei dischi rispetto a quelli delle stelle più massicce.”
Sebbene sembri chiaro che i dischi attorno a stelle a bassissima massa contengano più carbonio che ossigeno, il meccanismo di questo squilibrio è ancora sconosciuto. La composizione del disco è il risultato dell’arricchimento di carbonio o della riduzione di ossigeno. Se il carbonio è arricchito, la causa è probabilmente le particelle solide nel disco, il cui carbonio viene vaporizzato e rilasciato nella componente gassosa del disco. I grani di polvere, spogliati del loro carbonio originale, formano eventualmente corpi planetari rocciosi. Questi pianeti sarebbero poveri di carbonio, come la Terra. Tuttavia, la chimica basata sul carbonio probabilmente dominerà almeno le loro atmosfere primarie fornite dal gas del disco. Pertanto, le stelle a bassissima massa potrebbero non offrire i migliori ambienti per trovare pianeti simili alla Terra.
Per identificare i gas del disco, il team ha utilizzato lo spettrografo di MIRI per decomporre la radiazione infrarossa ricevuta dal disco in firme di piccole gamme di lunghezze d’onda – simile alla luce del sole che viene divisa in un arcobaleno. In questo modo, il team ha isolato una ricchezza di firme individuali attribuite a varie molecole.
Di conseguenza, il disco osservato contiene la chimica degli idrocarburi più ricca vista finora in un disco protoplanetario, composta da 13 molecole contenenti carbonio fino al benzene (C6H6). Includono la prima rilevazione extrasolare di etano (C2H6), il più grande idrocarburo completamente saturo rilevato al di fuori del sistema solare. Il team ha anche rilevato con successo etilene (C2H4), propino (C3H4) e il radicale metile CH3 per la prima volta in un disco protoplanetario. Al contrario, i dati non contenevano alcun indizio di acqua o monossido di carbonio nel disco.
Successivamente, il team scientifico intende espandere il proprio studio a un campione più ampio di tali dischi attorno a stelle a bassissima massa per sviluppare una migliore comprensione di quanto siano comuni tali esotici ambienti di formazione di pianeti terrestri ricchi di carbonio. “Espandere il nostro studio ci permetterà anche di capire meglio come si formano queste molecole,” ha spiegato Thomas Henning. “Diverse caratteristiche nei dati sono ancora non identificate, richiedendo ulteriori spettroscopie per interpretare pienamente le nostre osservazioni.”
Riferimento: “Abundant hydrocarbons in the disk around a very-low-mass star” 6 giugno 2024, Science. DOI: 10.1126/science.adi8147