L’evaporazione atmosferica è la chiave dell’evoluzione planetaria
Anche se la scienza conosce sempre più dettagli sui processi che portano alla formazione dei pianeti, molti aspetti sono ancora da chiarire. Questo è particolarmente vero per gli esopianeti, quei pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal Sole, che sembrano avere atmosfere volatili. La stretta vicinanza alle stelle, infatti, rende le loro atmosfere superiori vulnerabili alla perdita di massa, attraverso l’evaporazione causata dal riscaldamento. «All’inizio del progetto, ciò che conoscevamo dell’evaporazione atmosferica era quasi esclusivamente legato agli involucri ricchi di idrogeno (H) e di elio (He), e non c’erano modelli affidabili per le atmosfere altamente irradiate o dominate da elementi pesanti», spiega il coordinatore del progetto PEVAP James Owen dell’Imperial College(si apre in una nuova finestra) of Science, Technology and Medicine nel Regno Unito. «Ci mancava quindi sia una teoria fisica predittiva dell’evaporazione sia un modo per usarla come diagnostica del modo e del luogo di formazione dei pianeti. Il progetto PEVAP è stato concepito per colmare proprio queste lacune.»
Modelli di evaporazione di nuova generazione
Per raggiungere i suoi obiettivi, PEVAP, che è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), ha riunito le competenze in materia di idrodinamica planetaria, trasferimento radiativo, emissioni stellari ad alta energia e demografia degli esopianeti, riunendo esperti presso l’Imperial College. «Dal punto di vista metodologico, abbiamo sviluppato modelli di evaporazione di nuova generazione», spiega Owen. «Questi sono stati usati per risolvere l’accoppiata idrodinamica, termodinamica e chimica dei deflussi planetari (cioè la fuga atmosferica).» Parallelamente, l’équipe del progetto ha collegato questi modelli alle analisi planetarie. Usando ampie suite di calcoli evolutivi, ha previsto come l’evaporazione potrebbe influenzare la distribuzione dei pianeti. «Questo approccio ha permesso di usare l’evaporazione come potente sonda della formazione dei pianeti», spiega Owen.
Diagnostica della fuga atmosferica del passato
Un risultato fondamentale è stata la dimostrazione di come l’evaporazione possa spiegare quantitativamente la struttura dettagliata della popolazione di esopianeti in orbita stretta intorno alle loro stelle. «Abbiamo dimostrato che il numero relativo di super-Terre (esopianeti con masse superiori a quella della Terra ma nettamente inferiori a quelle di Nettuno o Urano) può essere riprodotto se molti pianeti in orbita ravvicinata si sono formati con modesti involucri di H/He su nuclei solidi», osserva Owen. «Più in generale, abbiamo fornito i primi vincoli solidi sulla distribuzione della nascita delle masse del nucleo e delle frazioni dell’involucro per i pianeti in orbita ravvicinata, ponendo dei limiti su dove devono aver accresciuto il loro gas e su quanta migrazione è consentita», aggiunge Owen. «Insieme, questi risultati trasformano la popolazione di esopianeti osservata in una diagnostica calibrata della fuga atmosferica passata.»
Indagare le connessioni con l’abitabilità dei pianeti
Il progetto è riuscito a ridefinire l’evaporazione atmosferica come strumento chiave per comprendere la formazione dei pianeti e a dimostrare che molte super-Terre in orbita stretta sono i resti spogliati di pianeti un tempo simili a Nettuno. «Questo ha chiarito che la modalità di formazione dominante per i pianeti in orbita ravvicinata comporta una modesta accrezione di gas seguita da una forte irradiazione ad alta energia, piuttosto che la formazione in situ di pianeti rocciosi nudi come quelli terrestri del Sistema Solare», afferma Owen. Un prossimo passo fondamentale sarà quello di generalizzare il quadro di riferimento dell’evaporazione a una gamma più ampia di oggetti interstellari. «L’estensione dei nostri modelli ad atmosfere dominate da elementi pesanti e ricche d’acqua ci permetterà di interpretare i prossimi dati del James Webb Space Telescope(si apre in una nuova finestra) e di Ariel(si apre in una nuova finestra) in un contesto evolutivo fisicamente coerente», osserva Owen. Owen e il suo gruppo intendono inoltre combinare i modelli di evaporazione migliorati con le simulazioni di formazione, stringendo i vincoli sul luogo di formazione dei pianeti rispetto alle linee di ghiaccio e sulla quantità di gas e solidi che hanno accresciuto. «Un’altra strada è quella di esplorare le connessioni con l’abitabilità dei pianeti», aggiunge Owen. «Mappando i punti in cui l’evaporazione rimuove gli involucri primordiali ma permette alle atmosfere secondarie di persistere, possiamo identificare i regimi favorevoli ai mondi temperati e potenzialmente rocciosi.»
