Il telescopio spaziale James Webb cattura un'immagine spettacolare di un pianeta neonato.

Se si dovesse scegliere un singolo campo di studio come rappresentativo dell'astronomia moderna, sarebbe senza dubbio la ricerca di esopianeti, con l'obiettivo finale di trovare la vita su uno di essi o persino, perché no, una "seconda Terra". Tutti questi mondi lontani (quasi seimila al momento in cui scrivo) offrono anche un'enorme quantità di informazioni sugli intricati meccanismi che governano la formazione dei sistemi planetari, incluso il nostro. Per decenni, rilevare questi sfuggenti corpi celesti è stata un'impresa erculea, ma l'arrivo del telescopio spaziale James Webb quattro anni fa ha segnato una svolta. E ora, nonostante il telescopio abbia già scoperto altri esopianeti nel 2022 , 2023 e 2024 , il James Webb ha appena ottenuto un'eccezionale immagine diretta di un giovane esopianeta incastonato nel disco di detriti che circonda una stella neonata. Questa è l'immagine diretta del più piccolo esopianeta rilevato finora con questa tecnica.

La scoperta, fatta dall'astronoma francese Anne-Marie Lagrange del CNRS presso l'Osservatorio Paris-PSL in collaborazione con l'Université Grenoble Alpes e recentemente pubblicata su Nature , è un ulteriore esempio delle capacità apparentemente infinite del telescopio spaziale. Chiamato TWA 7 b, il nuovo pianeta è il pianeta di massa più piccola osservato finora tramite immagini dirette, un risultato che rappresenta un importante passo avanti nell'individuazione e nella caratterizzazione di mondi sempre più piccoli, e quindi sempre più simili alla Terra.

Ma perché l'imaging diretto di un esopianeta è così straordinariamente difficile? La risposta sta nell'intensa luce delle stelle e nelle piccole dimensioni dei pianeti rispetto a esse. Osservare direttamente un esopianeta sarebbe come cercare di vedere una lucciola che danza attorno a un faro a diversi chilometri di distanza. Il faro è la stella: la sua luminosità è così intensa da soffocare completamente la debole luce di qualsiasi pianeta in orbita attorno ad essa. Ecco perché la stragrande maggioranza degli esopianeti scoperti finora è stata rilevata attraverso metodi indiretti, come il transito (quando un pianeta passa davanti alla sua stella, causando un leggero oscuramento della sua luce) o la velocità radiale (che misura l'"oscillazione gravitazionale" che un pianeta provoca sulla sua stella madre).

Tuttavia, queste tecniche non forniscono un'immagine fedele del pianeta. Questo è possibile grazie all'imaging diretto, che cerca di catturare la luce del pianeta, riflessa dalla sua stella o, più comunemente, il suo calore residuo, osservabile nell'infrarosso.

Ed è qui che entrano in gioco le straordinarie capacità di James Webb nell'infrarosso. Per superare il problema dell'esplosione stellare, Lagrange e i suoi colleghi hanno utilizzato un innovativo coronografo (prodotto in Francia) installato sullo strumento a infrarossi medio (MIRI) del telescopio, un potente rivelatore a infrarossi. Proprio come durante un'eclissi solare totale la Luna blocca la sua luce e permette agli scienziati di studiarne l'atmosfera altrimenti invisibile (la corona), un coronografo è essenzialmente un disco opaco, o maschera, posizionato sul telescopio per bloccare la luce di una stella lontana durante l'osservazione. Questa manovra consente alla luce molto più debole proveniente da oggetti vicini alla stella, come esopianeti o dischi di detriti, di essere rilevata dallo strumento a infrarossi.

Il coronografo di MIRI su Webb, tuttavia, non è una semplice parabola, ma incorpora una serie di tecnologie avanzate, tra cui un coronografo di tipo Lyot e tre coronografi a maschera di fase a quattro quadranti (4QPM). Queste maschere consentono un "angolo di lavoro interno" molto più piccolo. Ciò significa che possono bloccare la luce della stella a distanze angolari molto ravvicinate, rendendo possibile osservare pianeti in orbita molto più vicini alla loro stella di quanto fosse possibile in precedenza.

Il processo di osservazione con il coronografo di MIRI è estremamente meticoloso. Dopo aver bloccato la maggior parte della luce stellare, rimangono ancora tracce di luce riflessa che possono interferire con le osservazioni. Per eliminare questa luce residua e ottenere un'immagine più nitida dell'esopianeta, gli astronomi utilizzano la tecnica della "sottrazione della stella di riferimento". Questa consiste nell'osservare una stella di riferimento vicina e priva di pianeti, utilizzando esattamente la stessa configurazione strumentale. Sottraendo l'immagine della stella di riferimento da quella della stella bersaglio (quella con l'esopianeta), i ricercatori sono in grado di isolare il debole segnale proveniente dal pianeta.

Come se non bastasse, Webb impiega anche una tecnica chiamata Angular Differential Imaging (ADI), che prevede una leggera rotazione del telescopio durante l'osservazione. Questo fa sì che il pianeta si muova nel campo visivo, mentre i pattern di luce residua del telescopio rimangono statici, rendendoli più facili da eliminare in seguito. Grazie alla combinazione di questi metodi, il telescopio può rilevare oggetti fino a un milione di volte più deboli della stella stessa.

Gli autori dello studio hanno concentrato la loro attenzione sui target che sembravano più adatti all'imaging diretto. Si trattava di sistemi giovani, vecchi solo pochi milioni di anni, che potevano essere osservati "dal polo" (ovvero, i loro dischi visti "dall'alto"), il che è molto importante perché i pianeti di recente formazione in questi dischi sono ancora caldi e quindi emettono più luce infrarossa, rendendoli "più luminosi" agli strumenti di Webb rispetto a pianeti più vecchi e freddi.

Tra i numerosi dischi osservabili frontalmente, due in particolare hanno attirato l'attenzione dei ricercatori, poiché osservazioni precedenti avevano già rivelato strutture ad anello concentriche al loro interno. Ciò ha portato al sospetto che queste strutture fossero il risultato dell'interazione gravitazionale tra pianeti non identificati e piccoli corpi rocciosi e ghiacciati ("planetesimi"), precursori di pianeti che collidono e si aggregano in dischi protoplanetari. Uno di questi sistemi, chiamato TWA 7, si distingueva dagli altri per i suoi tre anelli chiaramente distinguibili, uno dei quali è particolarmente stretto e circondato da due aree vuote quasi prive di materia.

L'immagine ottenuta da James Webb ha rivelato una sorgente di luce infrarossa proprio nel cuore dello stretto anello. Dopo aver accuratamente escluso la possibilità di distorsioni osservative (come la presenza di una stella sullo sfondo o un artefatto strumentale), Lagrange e il suo team hanno concluso che si trattasse molto probabilmente di un esopianeta. Simulazioni dettagliate hanno confermato l'ipotesi: un pianeta con la massa e la posizione stimate potrebbe effettivamente creare un anello sottile e una "lacuna" esattamente nel punto in cui è stato osservato.

Il nuovo esopianeta, soprannominato TWA 7 b, è un vero peso piuma rispetto ai pianeti giganti finora osservati direttamente. Infatti, è fino a dieci volte più leggero degli esopianeti osservati direttamente in precedenza. La sua massa, paragonabile a quella di Saturno, è circa il 30% di quella di Giove, il pianeta più massiccio del nostro Sistema Solare. Ciò significa che, pur essendo ancora un gigante gassoso, TWA 7 b è significativamente meno massiccio di molti dei "Giove caldi" o "superGiove" che dominavano le liste degli esopianeti osservati direttamente. Ad esempio, sistemi come HR 8799, che ospita quattro pianeti giganti osservati direttamente (il primo dei quali, Beta Pictoris b, è stato scoperto nel 2008), sono significativamente più massicci di TWA 7 b. Persino Epsilon Indi Ab , scoperto nel 2024 dallo stesso Webb con il suo strumento MIRI e uno degli esopianeti più freddi di cui abbiamo immagini dirette, ha una massa diverse volte superiore a quella di Giove.

Il nuovo risultato, quindi, segna una nuova fase nell'individuazione di esopianeti sempre più piccoli tramite immagini dirette. Mondi più simili alla Terra che ai giganti gassosi del nostro Sistema Solare. Sebbene TWA 7 b non sia una "super-Terra", la sua massa di circa 0,3 volte quella di Giove (circa 100 volte la massa della Terra) la colloca in un intervallo significativamente inferiore rispetto ai giganti precedentemente rilevati con lo stesso metodo.

I limiti del telescopio spaziale James Webb, tuttavia, non sono ancora stati raggiunti. Gli scienziati sperano infatti di catturare immagini di pianeti con una massa pari solo al 10% di quella di Giove, e quindi ancora più vicini alla massa della Terra. A ciò si aggiungono le nuove capacità che avranno le future generazioni di telescopi, specificamente progettati per la ricerca di esopianeti. Non sorprende che gli astronomi abbiano già un elenco dei sistemi più promettenti per queste future osservazioni.