Acqua nel disco della stella PDS 70! Scoperta non casuale, ma un esempio di come procede la ricerca

Il puntamento del telescopio James Webb sulla stella PDS 70, nel cui disco è stata scoperta presenza di acqua, non è stato casuale. Questa scoperta è stata "preparata" da precedenti studi succedutisi nel corso di oltre 30 anni.

PDS 70 è una giovane stella con poco più di 5 milioni di anni di età e dista circa 370 anni luce dalla Terra.

La sigla PDS sta per "Pico dos Dias Survey". E' il nome di una survey stellare condotta presso l'osservatorio astronomico Pico dos Dias in Brasile ad un’altitudine di quasi 1900 metri sul livello del mare. E’ in questo Osservatorio che nel lontano 1992 inizia la storia (scritta) della stella PDS 70.

La stella PDS 70 viene così chiamata poiché è la settantesima stella del catalogo PDS contenente inizialmente 100 stelle giovani attorno alle quali si cercava la presenza di dischi di polveri e gas. Ma attenzione, quando nel 1992 si iniziò a studiare queste stelle non si pensava neanche lontanamente che nei loro dischi si sarebbero potuti scoprire esopianeti. Mancavano ancora 3 anni alla scoperta del primo esopianeta (51 Pegasi b scoperto nel 1995).

Anni di ricerca prima della sensazionale scoperta

Lo studio della stella PDS 70, che è stato lungo e documentato in oltre 300 articoli di ricerca, proprio in questi giorni (dopo ben 33 anni) segna come risultato importante la scoperta eccezionale della presenza di acqua nel suo disco di polveri a gas. Risultato eccezionale, ma sicuramente non l'ultimo, la ricerca proseguirà negli anni a venire.

Prime evidenze dell'esistenza del disco

Le prime osservazioni di PDS 70, risalenti agli inizi degli anni '90, avevano rivelato un eccesso di emissione infrarossa. Questa proprietà viene generalmente spiegata ipotizzando la presenza di un disco di polveri e gas il quale, essendo più freddo della stella, può emettere radiazione infrarossa più di quanta ne emetta la stessa stella.

Successivi studi hanno mostrato che il disco di PDS 70 esiste effettivamente e che si tratta di un disco giovane, ma in una fase evolutiva più avanzata in cui ha smesso di trasferire gas e polvere sulla stella. Questi dischi vengono chiamati dischi di transizione e sono caratterizzati dalla presenza di cavità al loro interno, cioè zone povere di gas e polvere.

Nel frattempo, si era anche scoperto che PDS 70 ruota su se stessa con un periodo di appena 3 giorni (il Sole impiega mediamente 28 giorni per fare una sola rotazione su se stesso).

La prima immagine del disco

E’ solo nel 2006, quindi dopo 14 anni di investigazioni, che si riesce ad ottenere la prima immagine del disco di PDS 70 con lo strumento NACO montato sul Very Large Telescope (VLT) all’European Southern Observatory. L’analisi di questa immagine indicava per il disco una temperatura intorno ai 0⁰C, ma anche l'esistenza di anelli di rocce (debris disk) a temperature tra -180⁰C e -130⁰C.

PDS 70 NACO — Prima immagine nel visibile del disco di PDS 70 ottenuta con lo strumento NACO al VLT dell'ESO. Si noti la differenza di risoluzione spaziale con l'immagine di copertina. Credits: Riaud et al. A&A458,317–325(2006)

Nel frattempo, grazie al progresso tecnologico degli strumenti di osservazione e quindi anche alla migliore qualità e risoluzione delle immagini, si giungeva ad una migliore comprensione della struttura del suo disco, nel quale veniva confermata la presenza di una grande cavità (si veda l'immagine di apertura).

La scoperta degli esopianeti

E' proprio in questa cavità che nel 2018 con il telescopio Magellan veniva scoperto il primo esopianeta di PDS 70, chiamato PDS 70 b, un pianeta gigante gassoso ancora in formazione.

Solo un anno dopo sempre all'interno della cavità veniva scoperto un secondo esopianeta, PDS 70 c. E nello stesso anno arrivano le prime immagini ad alta risoluzione nella banda radio ottenute da ALMA.

PDS 70 JWST — Immagine del disco di PDS 70 osservata con MUSE al VLT dell'ESO. I rettangoli rosso e viola indicano la posizione dei pianeti b e c. Credits: Haffert, S.Y., Bohn, A.J., de Boer, J. et al. Nat Astron 3, 749–754 (2019)

Recentemente, si è scoperto che i due pianeti sono circondati da un loro piccolo disco planetario di polveri e gas che via via sta precipitando sul pianeta, confermando che questi due pianeti sono ancora in fase di formazione.

PDS 70 b è un pianeta gassoso di tipo gioviano con massa 3 volte quella di Giove; impiega circa 120 anni a completare un’orbita attorno alla stella. PDS 70 c è anch'esso un pianeta gioviano con massa 2 volte quella di Giove; impiega circa 227 anni per compiere un’intera orbita.

E per ultimo la scoperta dell'acqua!

PDS 70 con il suo disco e i suoi pianeti si è rivelato così interessante che negli ultimi due anni e mezzo sono stati pubblicati quasi 220 articoli di ricerca su questa stella.

Sono stati quasi 33 anni di studio continuativo che hanno reso quasi "naturale" fare di PDS 70 un ottimo target di osservazione con il telescopio spaziale James Webb. Quindi, il puntamento del telescopio spaziale verso PDS 70 non è stato casuale ma è stato il prosieguo di un'attività decennale.

Questa volta il telescopio spaziale non ha utilizzato la camera del vicino infrarosso NirCam con la quale sta ottenendo immagini spettacolari di oggetti astronomici di varia natura, piuttosto ha usato lo strumento MIRI.

MIRI è uno strumento dotato sia di camera per imaging (cioè camera fotografica) sia di spettrografo per l’analisi della luce e della composizione chimica nel medio infrarosso. L’elevata risoluzione spaziale del telescopio ha permesso di analizzare la composizione chimica delle varie parti del disco di PDS 70 e quindi di capire che l'acqua si trovava proprio nella cavità dove si trovano i due pianeti.

Ad oggi sappiamo che la stella PDS 70 è una giovane stella circondata da un disco di polveri e gas. Questo disco ha una struttura particolare caratterizzata da un disco interno (più vicino alla stella), una larga cavità povera sia di gas che di polveri, ed un disco esterno. E’ all’interno della cavità che si trovano i due giovani pianeti PDS 70 b e c che sono stati classificati come pianeti di tipo gioviano.

La cavità nel disco di PDS 70 si pensa sia stata scavata proprio dai due esopianeti, che in parte hanno spazzolato polveri e gas, in parte hanno contribuito alla loro espulsione dal disco.

La ricerca di esopianeti è particolarmente focalizzata su stelle con dischi in cui siano presenti cavità, in quanto la loro esistenza è riconducibile alla presenza di pianeti al loro interno.

MIRI ha scoperto presenza di acqua all’interno della cavità tra i due dischi, cioè proprio lì dove si stanno formando i due esopianeti. L’acqua è sotto forma di vapore acqueo, a motivo dell’elevata temperatura stimata intorno ai 330⁰C. Difficile dire se quest’acqua fosse già lì come componente della nube originaria da cui si sono formati stella e pianeti o fosse presente in polveri interstellari poi catturate dal disco; probabilmente da una combinazione delle due circostanze.

Sicuramente una scoperta molto interessante, in quando mostra che l'acqua esiste già nel luogo di formazione dei pianeti anche a fasi avanzate di formazione. Questa stessa circostanza potrebbe forse estendersi anche ai pianeti rocciosi, qualora se ne trovassero nella cavità.

Uno dei problemi ancora aperti riguardo l'origine dell'acqua sulla Terra è se fosse già presente durante la formazione del nostro pianeta o se vi sia precipitata, trasportata dalle comete che hanno impattato abbondantemente la Terra nelle fasi iniziali di vita del sistema solare. Questa scoperta aggiunge importanti informazioni alla questione.