Il telescopio spaziale Webb fornirà dettagli su due intriganti “Super-Terre” nella Via Lattea

Exoplanet 55 Cancri e e la sua stella

Illustrazione che mostra come potrebbe apparire l’esopianeta 55 Cancri e, in base all’attuale comprensione del pianeta. 55 Cancri e è un pianeta roccioso con un diametro quasi doppio di quello della Terra, in orbita a sole 0,015 unità astronomiche dalla sua stella simile al Sole. A causa della sua orbita stretta, il pianeta è estremamente caldo, con temperature diurne che raggiungono i 4.400 gradi Fahrenheit (circa 2.400 gradi Celsius). Le osservazioni spettroscopiche utilizzando la telecamera nel vicino infrarosso (NIRCam) e lo strumento nel medio infrarosso (MIRI) di Webb aiuteranno a determinare se il pianeta ha un’atmosfera o meno e, in tal caso, di cosa è fatta quell’atmosfera. Le osservazioni aiuteranno anche a determinare se il pianeta è bloccato o meno in termini di marea. Crediti: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Gli astronomi addestreranno gli spettrografi ad alta precisione di Webb su due intriganti esopianeti rocciosi.

Immagina se la Terra fosse molto, molto più vicina al Sole. Così vicino che un anno intero sarebbe durato solo poche ore. Così vicino che la gravità ha bloccato un emisfero nella luce del giorno cocente permanente e l’altro nell’oscurità eterna. Così vicino che gli oceani ribollono, le rocce iniziano a sciogliersi e le nuvole fanno piovere lava.

Sebbene non esista nulla di simile nel nostro sistema solare, pianeti come questo – rocciosi, delle dimensioni all’incirca della Terra, estremamente caldi e vicini alle loro stelle – non sono rari nel[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? NASA’s James Webb Space Telescope is about to provide some answers.

Exoplanet LHS 3844 b and Its Star

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Comparison of Exoplanets 55 Cancri e and LHS 3844 b to Earth and Neptune

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] ha la sensibilità e la gamma di lunghezze d’onda per rilevarlo e determinare di cosa è fatto”, ha aggiunto Hu.

O piove lava la sera su 55 Cancri e?

Un’altra possibilità intrigante, tuttavia, è che 55 Cancri e non sia bloccato a marea. Invece, potrebbe essere come Mercurio, che ruota tre volte ogni due orbite (quella che è nota come risonanza 3:2). Di conseguenza, il pianeta avrebbe un ciclo giorno-notte.

“Questo potrebbe spiegare perché la parte più calda del pianeta è stata spostata”, ha spiegato Alexis Brandeker, un ricercatore dell’Università di Stoccolma che guida un altro team che studia il pianeta. “Proprio come sulla Terra, ci vorrebbe del tempo prima che la superficie si riscaldi. Il momento più caldo della giornata sarebbe il pomeriggio, non proprio a mezzogiorno.

Spettro di emissione termica dell'esopianeta LHS 3844 b

Possibile spettro di emissione termica dell’esopianeta super-Terra caldo LHS 3844 b, misurato dallo strumento a infrarossi medi di Webb. Uno spettro di emissione termica mostra la quantità di luce di diverse lunghezze d’onda infrarosse (colori) emesse dal pianeta. I ricercatori utilizzano modelli computerizzati per prevedere come apparirà lo spettro di emissione termica di un pianeta assumendo determinate condizioni, ad esempio se esiste o meno un’atmosfera e di cosa è fatta la superficie del pianeta.
Questa particolare simulazione presuppone che LHS 3844 b non abbia atmosfera e che il lato diurno sia coperto dal basalto di roccia vulcanica scura. (Il basalto è la roccia vulcanica più comune nel nostro sistema solare, formando isole vulcaniche come le Hawaii e la maggior parte dei fondali oceanici della Terra, nonché ampie porzioni della superficie della Luna e di Marte.)
Per confronto, la linea grigia rappresenta uno spettro modello di roccia basaltica basato su misurazioni di laboratorio. La linea rosa è lo spettro del granito, la roccia ignea più comune che si trova sui continenti della Terra. I due tipi di roccia hanno spettri molto diversi perché sono costituiti da minerali diversi, che assorbono ed emettono quantità diverse di diverse lunghezze d’onda della luce.
Dopo che Webb ha osservato il pianeta, i ricercatori confronteranno lo spettro effettivo con gli spettri del modello di vari tipi di roccia come questi per capire di cosa è fatta la superficie del pianeta.
Crediti: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

Il team di Brandeker intende testare questa ipotesi utilizzando NIRCam per misurare il calore emesso dal lato illuminato di 55 Cancri e durante quattro diverse orbite. Se il pianeta ha una risonanza 3:2, osserverà ogni emisfero due volte e dovrebbe essere in grado di rilevare qualsiasi differenza tra gli emisferi.

In questo scenario, la superficie si riscalderebbe, si scioglierebbe e persino vaporizzerebbe durante il giorno, formando un’atmosfera molto sottile che Webb potrebbe rilevare. Di sera, il vapore si raffreddava e si condensava per formare goccioline di lava che sarebbero piovute di nuovo in superficie, tornando solide al calare della notte.

Un po’ più fresco Super-Terra LHS 3844 b

Mentre 55 Cancri e fornirà informazioni sulla geologia esotica di un mondo ricoperto di lava, LHS 3844 b offre un’opportunità unica per analizzare la roccia solida su un[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

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