Da Redazione Isfoa A circa 73 anni luce dalla Terra, una sub-Nettuno percorre un’orbita retrograda e fortemente disallineata attorno a una nana rossa. L’assenza di un grande corpo capace di averne perturbato il cammino apre nuovi interrogativi sulla formazione dei sistemi planetari.
C’è un ordine che, almeno in apparenza, accompagna la nascita dei sistemi planetari: una stella prende forma all’interno di una nube di gas e polveri, attorno ad essa si organizza un disco di materia e, da quel disco, emergono progressivamente i pianeti. Il movimento conserva generalmente una sorta di memoria delle origini. Stella e pianeti tendono così a condividere un orientamento coerente, come accade, con qualche differenza, anche nel Sistema solare.
Poi ci sono le eccezioni. E alcune sono abbastanza radicali da costringere gli astronomi a interrogarsi nuovamente sui meccanismi che governano la nascita e l’evoluzione dei mondi.
È il caso di GJ 3090 b, un esopianeta che percorre la propria orbita in direzione opposta rispetto alla rotazione della stella attorno alla quale si muove. Non soltanto: il piano orbitale risulta fortemente disallineato rispetto all’asse di rotazione stellare, con un’obliquità tridimensionale stimata intorno ai 136 gradi. MEDIA INAF
Il risultato, ottenuto da un gruppo internazionale guidato da Yann Carteret dell’Università di Ginevra e pubblicato su Astronomy & Astrophysics, riguarda il primo esopianeta conosciuto su un’orbita retrograda attorno a una nana M, una classe di stelle piccole e relativamente fredde estremamente comune nella nostra Galassia. Università di Ginevra
Ma l’aspetto scientificamente più intrigante non è soltanto il fatto che GJ 3090 b proceda, per così dire, “contromano”. Nel sistema non è stato individuato un corpo sufficientemente massiccio — una seconda stella o un grande pianeta esterno — che possa fornire una spiegazione immediata del suo comportamento orbitale. Ed è proprio questa assenza a trasformare una configurazione insolita in un problema particolarmente interessante per l’astronomia planetaria. Università di Ginevra
GJ 3090 b, una sub-Nettuno a 73 anni luce dalla Terra
GJ 3090 b non è un gigante paragonabile a Giove. Appartiene alla famiglia delle sub-Nettuno, pianeti con caratteristiche dimensionali intermedie rispetto alla Terra e a Nettuno, una categoria molto diffusa tra gli esopianeti conosciuti ma assente nel nostro Sistema solare.
Le misure più recenti indicano per GJ 3090 b un raggio di circa 2,18 volte quello terrestre e una massa di circa 4,52 masse terrestri. Il pianeta completa una rivoluzione attorno alla propria stella in appena 2,85 giorni e si trova a circa 22,5 parsec dalla Terra, equivalenti a poco più di 73 anni luce. arXiv
La stella madre, GJ 3090, è una nana rossa di tipo M2, più piccola e fredda del Sole. Il pianeta era stato individuato grazie ai transiti osservati dalla missione spaziale TESS e confermato attraverso successive misure di velocità radiale. La scoperta originaria risale al 2022, quando uno studio pubblicato sempre su Astronomy & Astrophysics ne aveva già messo in evidenza le caratteristiche particolarmente interessanti per lo studio degli esopianeti di piccola taglia. arXiv
Il sistema, peraltro, non comprende soltanto GJ 3090 b. Le osservazioni più recenti hanno confermato l’esistenza di GJ 3090 c, un altro sub-Nettuno che completa la propria orbita in circa 15,9 giorni e presenta una massa minima intorno a dieci masse terrestri. È stato inoltre studiato un ulteriore segnale planetario, con un periodo vicino ai 12,7 giorni, che rimane candidato e necessita di ulteriori osservazioni. arXiv
È dunque all’interno di un sistema planetario tutt’altro che banale che si inserisce il comportamento anomalo di GJ 3090 b.
Cosa significa davvero che il pianeta orbita “al contrario”
L’espressione “pianeta che ruota in senso opposto alla sua stella” può generare un equivoco. Non significa che gli astronomi abbiano necessariamente determinato il verso della rotazione di GJ 3090 b sul proprio asse.
Ciò che è stato misurato riguarda invece il suo moto di rivoluzione attorno alla stella.
GJ 3090 ruota sul proprio asse in una determinata direzione. GJ 3090 b le gira attorno seguendo il verso opposto. In termini astronomici si parla quindi di orbita retrograda. La rotazione del pianeta su se stesso è un’altra grandezza e non è stata determinata da queste osservazioni. Imep CNRS
La distinzione è importante perché permette di comprendere la reale portata della scoperta.
Nei sistemi planetari ordinariamente allineati, l’asse di rotazione della stella e l’asse orbitale del pianeta risultano approssimativamente orientati nella stessa direzione. Quando l’angolo tra questi due assi cresce, il pianeta percorre un’orbita progressivamente più inclinata. Superati i 90 gradi di obliquità, l’orbita diventa retrograda rispetto alla rotazione stellare.
Per GJ 3090 b l’obliquità reale nello spazio è stata stimata intorno a 136 gradi, con un’incertezza significativa ma compatibile con la conclusione che il moto sia effettivamente retrogrado. Imep CNRS
Non siamo quindi davanti a una piccola deviazione rispetto alla geometria attesa, bensì a un sistema profondamente disallineato.
Le osservazioni con NIRPS e HARPS
Arrivare a questa conclusione ha richiesto osservazioni estremamente precise.
Il gruppo guidato da Carteret ha utilizzato soprattutto NIRPS, spettrografo operante nel vicino infrarosso installato sul telescopio da 3,6 metri dell’European Southern Observatory presso l’Osservatorio di La Silla, in Cile. Sono stati osservati sei transiti di GJ 3090 b; quattro di questi sono stati seguiti contemporaneamente anche con HARPS, lo spettrografo ad alta precisione che lavora nel visibile sul medesimo telescopio. MEDIA INAF
Quando un pianeta transita davanti alla propria stella, infatti, non provoca soltanto una piccola diminuzione della luminosità osservata. Attraversando progressivamente differenti regioni del disco stellare, modifica anche il profilo delle linee spettrali che gli astronomi utilizzano per ricostruire il movimento della stella.
Attraverso questo genere di misurazioni è possibile ottenere informazioni sull’orientamento relativo tra l’orbita planetaria e la rotazione stellare.
La capacità di NIRPS di lavorare nell’infrarosso è particolarmente importante quando si osservano stelle piccole e fredde come le nane M. Secondo Jonay González Hernández, ricercatore dell’Instituto de Astrofísica de Canarias e coautore dello studio, proprio le prestazioni dello strumento hanno consentito di raggiungere la precisione necessaria per determinare l’orientamento orbitale di un pianeta relativamente piccolo. webpro-cms.ll.iac.es
Ed è qui che il dato geometrico acquista valore scientifico: misurare l’angolo tra orbita e rotazione stellare significa cercare tracce della storia dinamica del sistema.
Perché normalmente pianeti e stelle seguono la stessa direzione
Per comprendere perché GJ 3090 b sia tanto interessante bisogna tornare all’origine dei sistemi planetari.
Nel quadro generale della formazione stellare, una nube di gas e polveri collassa sotto l’azione della gravità. Il materiale tende progressivamente a organizzarsi attorno alla giovane stella formando un disco protoplanetario. All’interno di questo disco, attraverso processi di aggregazione sempre più complessi, prendono forma i pianeti.
La conservazione del momento angolare produce naturalmente una certa coerenza tra la rotazione del sistema originario e il moto degli oggetti che si formano al suo interno. Per questo ci si aspetta che i pianeti nascano su orbite grosso modo allineate e procedano nello stesso verso della rotazione della loro stella.
Il Sistema solare costituisce un esempio familiare di questa architettura. I pianeti principali orbitano tutti nello stesso verso attorno al Sole e le loro orbite sono relativamente vicine a un piano comune.
Questo modello, tuttavia, descrive soprattutto il punto di partenza.
La successiva storia di un sistema può essere molto meno ordinata.
Interazioni gravitazionali fra pianeti, migrazioni orbitali, stelle compagne e altri processi dinamici possono modificare profondamente le configurazioni iniziali. L’esistenza di esopianeti retrogradi, infatti, era già nota da tempo: nel 2010 osservazioni dell’ESO avevano mostrato come alcuni pianeti giganti potessero muoversi in direzione opposta rispetto alla rotazione della stella ospite. hq.eso.org
GJ 3090 b, dunque, non è il primo pianeta retrogrado mai scoperto. La sua particolarità è un’altra: è il primo caso conosciuto di orbita retrograda attorno a una nana M e, soprattutto, appartiene a un sistema nel quale manca, almeno sulla base delle osservazioni disponibili, il grande perturbatore che potrebbe offrire una spiegazione relativamente immediata. MEDIA INAF
Il grande assente: nessun compagno massiccio individuato
Quando gli astronomi incontrano un pianeta con un’orbita fortemente inclinata, una delle domande inevitabili riguarda la presenza di altri corpi nel sistema.
La gravità di una stella compagna o di un pianeta particolarmente massiccio può infatti modificare nel tempo l’architettura orbitale di un sistema. Un pianeta inizialmente inserito in una configurazione più regolare potrebbe essere spinto verso un’orbita molto inclinata attraverso complesse interazioni dinamiche.
Per GJ 3090 gli studiosi hanno quindi cercato l’eventuale responsabile.
Le analisi hanno combinato misure di velocità radiale, osservazioni ad alta risoluzione e informazioni astrometriche della missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea. Il risultato, entro i limiti delle osservazioni disponibili, è che non emerge la presenza di una stella compagna lontana o di un pianeta esterno sufficientemente massiccio da spiegare in modo diretto il forte disallineamento. MEDIA INAF
È una differenza sostanziale rispetto ad altri sistemi fortemente inclinati.
Secondo i ricercatori, fra i sistemi multiplanetari conosciuti con obliquità superiori a 70 gradi, GJ 3090 si distingue proprio perché non mostra evidenze di un oggetto massiccio che possa essere chiamato in causa come responsabile della configurazione osservata. webpro-cms.ll.iac.es
L’assenza di questo “colpevole gravitazionale” non dimostra automaticamente che non sia mai esistito, né elimina ogni possibile scenario dinamico. Restringe però il campo delle spiegazioni e rende necessario considerare ipotesi differenti.
L’ipotesi di un secondo disco protoplanetario
Una delle possibilità avanzate dagli autori dello studio porta la ricostruzione molto indietro nel tempo, fino alle prime fasi della vita del sistema.
L’idea è che l’anomalia di GJ 3090 b possa non essere il risultato di qualcosa accaduto dopo la nascita del pianeta. Il pianeta potrebbe, in sostanza, essere nato all’interno di una struttura già fortemente disallineata.
Lo scenario ipotizzato prevede che la giovane GJ 3090 abbia acquisito ulteriore materiale dall’ambiente circostante nelle ultime fasi della propria formazione. Se quel materiale avesse posseduto un momento angolare orientato in maniera molto diversa rispetto a quello originario della stella, avrebbe potuto formare un disco secondario disallineato e retrogrado.
I pianeti del sistema avrebbero quindi potuto prendere forma all’interno di quel secondo disco e successivamente migrare verso regioni più interne, mantenendo memoria dell’orientamento originario. MEDIA INAF
È un’ipotesi, non una conclusione definitiva.
Vincent Bourrier, ricercatore dell’Università di Ginevra e coautore del lavoro, ha sottolineato come proprio l’assenza di un compagno massiccio imponga di esplorare spiegazioni alternative; fra queste figura appunto la possibilità dell’accrescimento di un disco secondario disallineato e retrogrado. Università di Ginevra
Se questo scenario trovasse ulteriori conferme, la geometria apparentemente anomala del pianeta assumerebbe un significato diverso. GJ 3090 b non sarebbe necessariamente un mondo nato su un’orbita ordinaria e successivamente “rovesciato”: potrebbe aver conservato fino a oggi l’impronta di condizioni formative molto diverse da quelle che immaginiamo osservando il Sistema solare.
L’orbita come archivio della storia di un sistema planetario
È proprio questo uno degli aspetti più affascinanti dello studio degli esopianeti.
Un’orbita non rappresenta soltanto la traiettoria seguita da un corpo nello spazio. La sua forma, inclinazione, eccentricità e relazione con l’asse di rotazione della stella possono conservare informazioni sulla storia del sistema.
In questo senso l’obliquità diventa una sorta di documento astronomico.
Un sistema ordinato può suggerire che la configurazione originaria sia stata conservata relativamente bene. Un sistema profondamente disallineato può invece indicare una storia dinamica complessa oppure, come viene ipotizzato per GJ 3090, condizioni di formazione meno semplici del modello elementare di un unico disco perfettamente allineato.
Non significa che i modelli della formazione planetaria vengano improvvisamente smentiti. La scienza degli esopianeti sta mostrando piuttosto quanto numerosi possano essere i percorsi attraverso i quali una stella e i suoi pianeti raggiungono la configurazione osservabile miliardi di anni dopo.
Ogni sistema insolito consente di verificare quali processi siano realmente possibili in natura e con quale frequenza possano verificarsi.
Le nane rosse e il peso della scoperta
Il fatto che GJ 3090 sia una nana M aggiunge un ulteriore elemento di interesse.
Le nane rosse sono stelle più piccole, meno massicce e più fredde del Sole e costituiscono una popolazione fondamentale per gli studi sulla formazione planetaria. La possibilità di misurare con crescente precisione l’orientamento delle orbite attorno a queste stelle permette di ampliare un campo di ricerca che per molto tempo è stato favorito dall’osservazione di pianeti più grandi e di sistemi più facilmente caratterizzabili.
La scoperta di GJ 3090 b mostra quanto le nuove generazioni di strumenti spettroscopici stiano progressivamente spostando il limite delle misure possibili.
Non ci si limita più a stabilire se un pianeta esista, quale sia approssimativamente il suo raggio o quanto impieghi per completare un’orbita. Diventa possibile ricostruire la geometria tridimensionale di sistemi lontani decine di anni luce e utilizzare questa geometria per interrogare la loro storia.
Il passaggio è importante: dall’inventario degli esopianeti si procede sempre più verso una vera archeologia dei sistemi planetari.
Un sistema che resta ancora da comprendere
Molte domande, inevitabilmente, rimangono aperte.
La configurazione degli altri pianeti di GJ 3090 potrà essere determinante. Se anche le loro orbite risultassero fortemente disallineate nello stesso modo, il quadro fornirebbe informazioni preziose per valutare l’ipotesi di una formazione comune all’interno di un disco inclinato.
Se emergessero invece geometrie differenti, diventerebbe necessario considerare una storia dinamica ancora più complessa.
Ulteriori osservazioni potranno inoltre affinare le misure dell’obliquità e verificare con maggiore profondità l’eventuale presenza di corpi oggi non rilevati. L’assenza di evidenza, soprattutto quando si osservano sistemi distanti decine di anni luce, deve infatti essere interpretata entro i limiti di sensibilità degli strumenti e dei dati disponibili.
È questa cautela a separare un risultato scientifico da una suggestione.
Ciò che oggi sappiamo è sufficientemente solido per descrivere GJ 3090 b come un pianeta su un’orbita fortemente disallineata e retrograda. Ciò che ancora non sappiamo è perché il sistema abbia assunto quella configurazione.
Ed è precisamente in questa distanza tra osservazione e spiegazione che la scoperta acquista il suo valore.
GJ 3090 b e un Universo meno ordinato di quanto appare
Per secoli abbiamo conosciuto un solo sistema planetario: il nostro. Era inevitabile che il Sistema solare diventasse il primo riferimento con cui immaginare anche gli altri.
La scoperta degli esopianeti ha progressivamente modificato questa prospettiva. Sono emersi pianeti giganti vicinissimi alle proprie stelle, mondi dalle densità inattese, sistemi estremamente compatti e architetture orbitali difficili da ricondurre immediatamente all’esperienza solare.
GJ 3090 b aggiunge un altro tassello.
Non perché sia il primo pianeta a percorrere un’orbita retrograda, ma perché lo fa attorno a una piccola nana rossa e all’interno di un sistema nel quale non è stato identificato il grande perturbatore che normalmente verrebbe chiamato in causa per spiegare una geometria tanto estrema. Università di Ginevra
A circa 73 anni luce da noi, un pianeta di poco più di due raggi terrestri completa ogni 2,85 giorni il proprio viaggio attorno alla stella seguendo una direzione che appare contraria alla rotazione di quest’ultima. È un movimento regolare, prevedibile e governato dalle stesse leggi fisiche che conosciamo. Eppure la sua origine resta da decifrare.
La questione, dunque, non è stabilire perché GJ 3090 b abbia deciso di andare “contromano”: i pianeti non scelgono il proprio percorso. La domanda scientifica è capire quale storia possa aver scritto un’orbita così insolita.
La risposta potrebbe trovarsi nelle interazioni avvenute durante l’evoluzione del sistema oppure risalire ancora più indietro, alla materia dalla quale quei mondi hanno avuto origine. In entrambi i casi, GJ 3090 b ricorda quanto l’ordine che osserviamo nel cielo possa essere soltanto il risultato finale di vicende cosmiche molto più complesse.