Non perfettamente sferica, ma a forma di uovo, con un lato più allungato dell’altro. È la silhouette di Wasp-17b, un “gioviano caldo” situato a circa 1.300 anni luce dalla Terra, nella costellazione dello Scorpione; uno dei più grandi “puffy planets” mai scoperti.

La forma dell’atmosfera di Wasp-17b ricostruita con la tecnica del transit mapping. Il pianeta presenta un’ampia fascia di correnti a getto lungo l’equatore, con venti molto intensi che trasportano materia e calore dal lato diurno, costantemente irradiato dalla stella, a quello notturno, perennemente in ombra. Questa circolazione atmosferica contribuisce a determinare la caratteristica forma ovoidale del pianeta. Crediti: Engine House/Hannah Wakeford

A ricostruire per la prima volta i contorni dell’esopianeta e la forma tridimensionale della sua atmosfera è stato un team internazionale di ricercatori guidato dalla Cornell University, che ha sfruttato le capacità osservative del telescopio spaziale James Webb e un nuovo metodo di analisi chiamato transit mapping. I risultati dello studio, pubblicati ieri su Nature Astronomy, mostrano come l’intensa radiazione stellare e le correnti che ne derivano plasmino l’atmosfera del pianeta, confermando le predizioni teoriche e i modelli di simulazione.

I pianeti gassosi sono oggetti tridimensionali la cui forma è modellata dalla loro atmosfera. Ciò è ancora più evidente per i pianeti in rotazione sincrona, una condizione tipica dei gioviani caldi che orbitano estremamente vicini alla propria stella. Tali mondi, rivolgendo sempre la stessa faccia alla loro stella, possiedono un lato costantemente illuminato e uno perennemente in ombra. Questa condizione determina marcati gradienti orizzontali di temperatura, che possono modificare sia l’estensione verticale dell’atmosfera sia le condizioni chimiche al suo interno, determinando il contorno apparente del pianeta.

Mappare queste differenze permette dunque di ricostruire le variazioni della struttura atmosferica e di delineare la sagoma del pianeta.  Le osservazioni spettroscopiche del lembo degli esopianeti durante il loro transito sul disco della stella consentono di indagare tali variazioni, assumendo che il raggio del pianeta sia uniforme lungo tutto il suo contorno. Tra le tecniche usate per questo tipo di indagini c’è l’eclipse mapping, che misura le variazioni di luce quando un pianeta passa dietro la propria stella ospite.

Illustrazione che mostra Wasp-17b in transito davanti alla propria stella. Crediti: Engine House/Hannah Wakeford

Sebbene queste osservazioni consentano di caratterizzare l’atmosfera nel suo complesso, non permettono di ricostruire le variazioni da una regione all’altra. Restituiscono infatti uno spettro di trasmissione che è solo la media delle proprietà atmosferiche lungo il contorno.

Per superare questo limite, come anticipato, il team ha utilizzato il metodo del transit mapping. Tracciando le variazioni della luce che attraversa l’orizzonte atmosferico da diverse angolazioni, la tecnica consente di determinare l’estensione e la composizione chimica dell’atmosfera, punto per punto lungo l’intero bordo. In questo modo è possibile mapparne le proprietà sia dall’equatore ai poli, sia tra i terminatori, ovvero le regioni di transizione tra il lato diurno e quello notturno, definendo la struttura esatta della sagoma planetaria.

«Invece di ipotizzare che il pianeta sia un cerchio con lo stesso raggio lungo tutto il perimetro, la nostra tecnica permette di ricavare la distanza dal centro al bordo in diversi punti. Siamo dunque in grado di percorrere l’intero profilo», ha spiegato Lili Alderson, ricercatrice alla Cornell University e prima autrice della ricerca.  «In un certo senso, siamo passati dall’osservare un anello al capire esattamente dove si trovano le “gemme” lungo di esso».

La metafora delle gemme utilizzata dalla scienziata si riferisce proprio alla presenza di variazioni locali di quota nell’atmosfera, che si traducono in rigonfiamenti della sagoma e, dunque, in variazioni del raggio del pianeta. Se in una certa regione l’aria è molto calda, il pianeta sembra più grande e il suo raggio in quel punto aumenta. Al contrario, se in un altro punto l’aria si raffredda, l’atmosfera diventa più sottile, quindi il raggio in quella regione diminuisce.

A sinistra, rappresentazione grafica dei contorni di Wasp-17b (linee nere) presi a due diverse lunghezze d’onda e messi a confronto con l’ipotesi di un pianeta perfettamente circolare (linea grigia tratteggiata). I raggi estratti punto per punto lungo il lembo sono evidenziati dalle linee colorate. Al centro, l’andamento del raggio misurato attorno al bordo del pianeta al variare dell’angolo. A destra, grafici che mostrano la conversione delle variazioni di raggio nello spettro di trasmissione finale in funzione della lunghezza d’onda. Crediti: Alderson et al., Nature Astronomy, 2026

Una di queste gemme è stata trovata dai ricercatori proprio dove i modelli fisici ne prevedevano la presenza: nella fascia equatoriale del lato notturno di Wasp-17b. In questa regione, potenti venti trasportano il calore dal lato perennemente illuminato verso quello buio, provocando un rigonfiamento dell’atmosfera. Il risultato è un pianeta dalla forma asimmetrica e allungata, simile a un uovo.

La tecnica del transit mapping ha inoltre permesso di confermare altre caratteristiche di Wasp-17b: «la teoria prevede che i lati diurno e notturno di questi pianeti debbano avere una forte escursione di temperatura. Wasp-17b si inserisce perfettamente in questo trend. È esattamente in linea con quanto ci aspettavamo», osserva Alderson. «È stato inoltre importante confermare che molecole come l’acqua e l’anidride carbonica sono distribuite in modo piuttosto uniforme lungo tutto il lembo atmosferico».

«Il primissimo utilizzo di questa nuova tecnica mostra che la nostra comprensione di questi pianeti è corretta e che i diversi metodi a disposizione per studiarli restituiscono risultati concordanti», conclude Alderson. «In questo senso, le prospettive future sono molto promettenti: nei prossimi anni, infatti, queste tecniche ci permetteranno di studiare in profondità molti altri pianeti».

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A spatial map of the atmospheric limb of a hot Jupiter” di Lili Alderson, Hannah R. Wakeford, David Grant, Nikole K. Lewis, Avinash Verma, Jayesh Goyal, Mark Hammond, Daniel Valentine, Natalie H. Allen, Ana Glidden, Amélie Gressier, Jingcheng Huang, Maura Lally, Dana R. Louie, Jacob Lustig-Yaeger, Cathal Maguire, Elijah Mullens, Kristin S. Sotzen, Jeff A. Valenti, Roeland P. van der Marel e Tiffany Kataria

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