Si trova a 7,5 anni luce di distanza dalla Terra, nella costellazione dell’idra. Ha una massa stimata tra tre e dieci volte quella di Giove, dimensioni pressoché identiche e una temperatura superficiale di circa -8 gradi Celsius. Ma non è né un pianeta né una stella. È Wise 0855, la nana bruna più fredda conosciuta. Grazie a una campagna osservativa condotta con il telescopio spaziale James Webb (Jwst), un team di ricercatori guidato dall’Università dell’Arizona ha studiato l’atmosfera di questo corpo celeste al confine tra una stella e un pianeta. I risultati della ricerca, in uscita su The Astronomical Journal, rivelano una struttura tridimensionale e una chimica complessa, con caratteristiche molto simili a quelle della Terra.

Illustrazione artistica di una nana bruna, un corpo celeste troppo massiccio per essere un pianeta, ma non abbastanza da innescare le reazioni di fusione nucleare che alimentano le stelle. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

Per giungere a queste conclusioni, il team di astronomi guidato da Brittany Miles, ricercatrice dell’Università dell’Arizona, ha osservato Wise 0855 per 11 ore utilizzando lo spettrografo Nirspec di Jwst, ottenendo uno spettro della luce ogni 15 minuti.

Questa tecnica, nota come “spettroscopia a serie temporale”, permette di seguire le variazioni dello spettro di luce nel tempo e studiare così i cambiamenti nelle caratteristiche dell’atmosfera. L’analisi di questi spettri ha permesso di ottenere ciò che i ricercatori stessi definiscono la ricostruzione più dettagliata mai ottenuta della dinamica atmosferica di Wise 0855, nonché la prima conferma diretta che le nubi d’acqua su un altro corpo celeste cambiano spessore nel tempo, proprio come accade sulla Terra.

I dati di Jwst rivelano infatti che l’atmosfera di Wise 0855 è modellata da due processi distinti che si verificano simultaneamente: ad alte quote, nubi d’acqua si addensano e si diradano con la rotazione dell’oggetto; più in profondità, imponenti moti convettivi rimescolano i gas, richiamando e trasportando verso l’alto molecole provenienti dalle regioni sottostanti.

«È la prima volta che riusciamo a confermare che le nubi d’acqua si assottigliano e si inspessiscono su un mondo vicino», sottolinea Miles. «Prima di Jwst avevamo a disposizione soltanto dati fotometrici, nei quali gli effetti delle nubi, della chimica e della temperatura risultavano inevitabilmente mescolati. Ora siamo finalmente in grado di distinguerli».

Le nane brune sono oggetti celesti troppo massicci per essere pianeti, ma non abbastanza da innescare le reazioni di fusione nucleare che alimentano le stelle. Grazie al calore residuo della loro formazione, tuttavia, emettono una debole radiazione. Per spiegare come questa luce attraversi l’atmosfera e raggiunga lo spazio, portando con sé informazioni sulle caratteristiche di questi oggetti, Mark Marley, direttore del Lunar and Planetary Laboratory dell’Università dell’Arizona e coautore dello studio, ricorre alla metafora di una zanzariera: «I fotoni emessi dal corpo celeste attraversano l’atmosfera e si disperdono nello spazio. Per noi è come guardare il mondo attraverso una zanzariera che lascia filtrare parte della luce. Stiamo imparando a conoscere ciò che si trova da entrambi i lati della zanzariera, ma dobbiamo anche capire com’è fatta la zanzariera stessa».

Nel caso di Wise 0855, in particolare, questa “zanzariera” cambia continuamente. Dalle indagini è emerso, infatti, che mentre la nana bruna ruota su sé stessa, “sfilano” nel campo di vista regioni caratterizzate da coperture nuvolose e temperature differenti, creando un mosaico dinamico di zone più calde e più fredde. La sensibilità dello spettrografo di Jwst ha permesso di tracciare queste variazioni analizzando singole impronte molecolari, un risultato che nessun osservatorio precedente era riuscito a ottenere per un oggetto così freddo.

Oltre alle variazioni di temperatura associate alla rotazione della nana bruna, lo strumento Nirspec ha registrato un segnale ritmico e oscillatorio associato alla presenza di due specifici gas: monossido di carbonio e fosfina. Secondo gli scienziati, non v’è dubbio: il segnale è dovuto al calore interno della nana bruna che spinge continuamente i gas verso la superficie, con un meccanismo analogo a quello che fa salire il liquido caldo dal fondo di una pentola in ebollizione.

Si tratta di un processo ben noto in planetologia, noto come “chimica di disequilibrio” (dall’inglese disequilibrium chemistry), spiegano i ricercatori. Su Giove, il rimescolamento convettivo trasporta i gas dagli strati profondi e caldi verso l’atmosfera superiore. Lo stesso processo è già stato osservato nelle nane brune, ma seguirne per la prima volta le variazioni in tempo reale, molecola per molecola, apre una prospettiva del tutto nuova.

Schema dell’atmosfera di Wise 0855 elaborato sulla base delle osservazioni in serie temporale e dei modelli che meglio riproducono i dati di Jwst. In (a), rappresentazione monodimensionale dell’atmosfera della nana bruna. Le frecce indicano i moti convettivi che trasportano gas caldo ricco di monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO₂) e fosfina (PH₃) dagli strati più profondi dell’atmosfera, dove la pressione è maggiore, verso la fotosfera, lo strato più esterno. Le linee nere tratteggiate delimitano l’intervallo di pressione a cui è sensibile la modalità osservativa Nirspec del telescopio spaziale James Webb. In (b), rappresentazione bidimensionale semplificata delle caratteristiche superficiali che potrebbero contribuire alla variabilità osservata. Le regioni viola sono più nuvolose e presentano variazioni di temperatura dell’ordine di 1 kelvin. Le regioni blu presentano una copertura nuvolosa inferiore e consentono di sondare strati più profondi, dove le firme del disequilibrio chimico sono più marcate. Entrambi i tipi di regione possono subire variazioni di temperatura. Crediti: Brittany E. Miles et al., The Astrophysical Journal, 2026

Per il team di ricerca, il valore di questo studio non risiede soltanto in ciò che ci rivela su Wise 0855, ma nelle sue implicazioni nella caratterizzazione delle atmosfere planetarie: i principi fisici di convezione, formazione nuvolosa e chimica atmosferica che governano questo mondo si applicano anche ai giganti gassosi del Sistema solare, come Giove. Se questi principi sono universali, valgono anche per gli esopianeti giganti gassosi che gli astronomi stanno iniziando a studiare sistematicamente grazie al telescopio spaziale James Webb.

«Anche se le nane brune non sono veri e propri pianeti, mostrano comportamenti simili a quelli planetari», osserva Miles. «Tra di loro esiste uno spettro continuo di comportamenti, non c’è una linea di demarcazione netta. Giove e Wise 0855 sono chiaramente diversi, ma presentano schemi meteorologici simili. Esistono dunque principi fondamentali di fisica e chimica che possono essere applicati a tutti questi mondi».

I ricercatori guardano ora alle prossime osservazioni con il James Webb, con l’obiettivo di definire con maggiore precisione i dettagli sulla rotazione di Wise 0855 e approfondire la dinamica tridimensionale dei movimenti nella sua atmosfera. Per il momento, il messaggio è chiaro: il tempo meteorologico esiste ovunque e alcuni dei nostri vicini più prossimi hanno cieli che vale la pena osservare.

Per saperne di più:

• Leggi il preprint dell’articolo in uscita su The Astronomical Journal  “Water Cloud and Chemical Modulations in the Coldest Brown Dwarf” di Brittany E. Miles, James Mang, Caroline V. Morley, Andrew J. I. Skemer, Melanie Rowland, Brianna Lacy, Genaro Suarez, Channon Visscher, Dániel Apai, Gordon Bjoraker, Aarynn L. Carter, Jacqueline K. Faherty, Jonathan J. Fortney, Nguyen Fuda, Thomas Geballe, Harshil Kothari, Mary Anne Limbach, Mark Marley, Allison M. McCarthy, Adam Schneider, Johanna Vos, Michael Cushing, Richard Freedman, Michael Line, Roxana Lupu, Emily Martin e Mikayla J. Wilson

È ancora una matricola, ma ha già un palmarès di tutto rispetto, con una pubblicazione su The Astrophysical Journal a suo nome (unico, tra l’altro) e tre galassie che portano il suo cognome, che sono l’oggetto dello studio. Si chiama Julian Shapiro ed è uno studente del corso di astrofisica all’Università della California a Berkeley. Le tre galassie che ha scoperto sono Shapiro Dg I, II e III.

Shapiro Dg I, II e III sono tre galassie nane, ovvero sistemi galattici di piccole dimensioni e con una quantità relativamente ridotta di stelle, gas e materia oscura rispetto alle galassie più grandi come la Via Lattea.

Immagine composita realizzata utilizzando i dati della Sloan Digital Sky Survey, dell’Hyper Suprime-Cam Legacy e del Canada-France-Hawaii Telescope, che mostra le tre galassie nane scoperte nella ricerca. Crediti: Julian Shapiro

Scovate dal giovane ricercatore nei dati d’archivio ottenuti dalla Hyper Suprime-Cam (Hsc), una potente fotocamera installata sul telescopio Subaru e dal Canada–France–Hawaii Telescope, le tre galassie sono isolate, si trovano cioè lontane da altre galassie, e hanno smesso di formare attivamente nuove stelle. Un comportamento, quest’ultimo, che ha attirato l’attenzione del ricercatore.

In genere, infatti, le galassie nane isolate conservano una quantità sufficiente di materia prima per formare nuove stelle. Al contrario di quelle che si trovano in ambienti densi o nelle vicinanze di galassie più massicce, che tendono a esaurire la propria attività di formazione stellare, anche a causa delle interazioni gravitazionali e idrodinamiche con l’ambiente, che possono sottrarre loro il gas freddo necessario. Le tre galassie nane individuate da Shapiro (una delle quali, Dg-1, identificata indipendentemente anche da un altro gruppo di ricerca, nell’ambito del progetto Id-Mage) rappresentano in questo senso un enigma.

«Le galassie nane esistono sia come galassie isolate sia come satelliti di galassie più grandi, come la nostra Via Lattea», spiega Shapiro. «Nel caso delle galassie isolate, ci si aspetta che in questi sistemi galattici la formazione stellare sia ancora attiva, poiché non ci sono galassie più grandi nelle vicinanze che possano privarle del gas necessario a formare nuove stelle. Le galassie che ho scoperto, però, fanno eccezione».

Shapiro Dg I, II e III, infatti, pur trovandosi isolate, sono quiescenti, sembrano cioè aver perso la capacità di formare nuove stelle. Come spiegare questa anomalia? Secondo Shapiro, una soluzione al dilemma c’è e chiama in causa le cosiddette galassie backsplash. «Nel mio articolo suggerisco che le tre galassie potrebbero essere tra le prime candidate galassie backsplash a essere identificate e risolte, ovvero galassie che in passato sono transitate vicino a una grande galassia, perdendo il proprio gas a causa della pressione esercitata da quest’ultima, per poi essere espulse nuovamente verso l’esterno».

Più in dettaglio, secondo Shapiro, le tre galassie potrebbero essere passate in precedenza sotto l’influenza gravitazionale di Messier 101, chiamata anche galassia Girandola (Pinwheel galaxy). Durante questo passaggio, le galassie sarebbero state private del gas necessario a formare nuove stelle, prima di essere poi espulse verso regioni più remote dello spazio. Esclusivamente per Shapiro dg II esisterebbe anche uno scenario alternativo: la sua posizione è sufficientemente vicina alla galassia a spirale Ngc 5585 da rendere possibile che si tratti di una debole galassia satellite, anziché una galassia backsplash, dice Shapiro.

Per determinare dove fosse più probabile trovare galassie nane backsplash nelle vicinanze di una galassia simile alla Via Lattea e in quali condizioni queste galassie potessero essere individuate nei dati d’archivio dei telescopi, Shapiro si è avvalso di sofisticate simulazioni idrodinamiche. Una parte consistente della ricerca è stata inoltre dedicata alla stima delle distanze, fondamentale per stabilire se le tre galassie fossero davvero isolate.

Il giovane ricercatore, autore della scoperta delle tre galassie nane oggetto dello studio, Julian Shapiro

«Costruire le conoscenze di base necessarie per individuare queste galassie, sviluppare il codice per la modellizzazione e l’analisi e confrontare i risultati con il nostro modello cosmologico è stata una sfida», racconta Shapiro. «Sono stato fortunato perché molti dei principali journal del settore sono accessibili gratuitamente: questo mi ha permesso di acquisire le conoscenze e le competenze necessarie».

Shapiro auspica che future osservazioni con telescopi spaziali ad alta risoluzione permettano di determinare con precisione la posizione delle tre galassie ed escludere spiegazioni alternative della loro condizione di galassie quiescenti, mentre il Vera C. Rubin Observatory potrebbe contribuire alla ricerca, individuando numerose altre potenziali galassie backsplash.

Il modello cosmologico standard, la teoria oggi più accreditata per descrivere la struttura dell’universo, prevede che le galassie backsplash siano piuttosto comuni, eppure finora è stato difficile individuarne esempi nell’universo locale. Le tre galassie nane individuate da Shapiro potrebbero offrire nuovi indizi a sostegno del modello, mostrando che i processi che esso prevede possono agire anche in ambienti cosmici meno densi ed estremi. Lo studio rafforza inoltre l’ipotesi secondo cui alcune galassie isolate abbiano perso la capacità di produrre stelle in seguito all’azione di forze esterne, probabilmente durante un precedente passaggio in prossimità di galassie più massicce. Va però sottolineato che si tratta al momento di tre “candidate”: saranno dunque necessarie ulteriori osservazioni per determinarne con maggiore precisione le distanze e la natura.

Shapiro ha condotto gran parte della ricerca quando era ancora alle scuole superiori. Oggi al suo primo semestre alla Uc Berkeley, frequenta i corsi di astrofisica, insieme agli insegnamenti obbligatori di matematica e fisica, con l’obiettivo di conseguire una laurea in questa disciplina.

«Mi piacerebbe che il mio lavoro fosse d’ispirazione per i giovani che desiderano intraprendere una carriera nella ricerca astrofisica», dice Shapiro. «Spesso i programmi scolastici dedicano poco spazio all’astronomia, e per gli studenti può essere difficile trovare un tutor e acquisire esperienza nel campo. Il mio lavoro dimostra che i dati d’archivio provenienti dai telescopi sono uno strumento fondamentale per fare nuove scoperte sulla cosmologia e sull’evoluzione dell’universo, e che anche i giovani astronomi possono contribuire a queste scoperte».

Il Davidson Institute ha riconosciuto il lavoro di Shapiro sulle galassie backsplash nominandolo Davidson Fellow 2026 e assegnandogli un premio in denaro di 25mila dollari. Nel 2025, inoltre, Shapiro aveva ricevuto il National Young Astronomer Award della Astronomical League. E il suo mentore, il professore di astronomia della Berkeley Alex Filippenko, ha elogiato il modo in cui ha condotto la ricerca e analizzato i risultati.

«Julian ha condotto una ricerca di notevole livello quando era ancora alle scuole superiori, un fatto decisamente insolito, che è stato riconosciuto con la prestigiosa Davidson Fellowship», sottolinea Filippenko. «Mi ritengo molto fortunato che abbia scelto la University of California, Berkeley, per i suoi studi universitari in astrofisica e, soprattutto, che abbia deciso di unirsi al mio gruppo di ricerca».

Per saperne di più:

• Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Discovery of Isolated, Quenched Candidate Backsplash Dwarf Galaxies near M101” di Julian Shapiro