Quando Galileo Galilei, matematico dell'Università di Padova, puntò verso il cielo un cannocchiale di sua creazione, rimase sopraffatto da ciò che vide: più di 500 nuove stelle nella costellazione di Orione, oltre alle tre familiari nella costellazione del cacciatore. cintura e sei nella spada.

Nel mese di ottobre, gli astronomi hanno utilizzato il telescopio spaziale James Webb per ingrandire una delle stelle centrali della spada e hanno identificato altri 500 punti circa mai visti prima. I mondi sono così piccoli e fiochi che rendono confuso il confine tra stella e pianeta. È un'ambiguità che affliggeva Galileo, che si riferiva alle lune di Giove sia come “stelle” che come “pianeti” nella stessa pagina del suo trattato astronomico del 1610, e continua a turbare gli astronomi oggi.

“Quando guardiamo il sistema solare è tutto bello e ordinato. Ottieni il sole e ottieni i pianeti", ha detto Samuel Pearson, un astronomo dell'Agenzia spaziale europea (ESA). Non c'è niente nel mezzo. Ma “quando vai a dare un’occhiata”, ha detto Pearson, “ti rendi conto che esiste uno spettro completo di [oggetti con] praticamente ogni massa intermedia”.

L’osservazione JWST rafforza un catalogo crescente di oggetti isolati che occupano questa zona grigia tra pianeti giganti e stelle minuscole. A volte chiamati pianeti “fluttuanti” o “canaglia”, questi mondi solitari vanno alla deriva liberamente nello spazio. Sebbene gli astronomi possano stimare la massa di queste sfere di gas oscure, della massa di Giove, le loro origini rimangono misteriose. Sono in realtà pianeti – “Giove” che una volta orbitavano attorno alle stelle ma che in qualche modo furono sputati? O sono più simili a microstelle che non sono riuscite ad accendersi?

Invece di rispondere a questa domanda, l’osservazione del JWST aggiunge mistero: l’occhio a infrarossi del telescopio ha scoperto che dozzine di mondi sembrano essere in coppie in orbita l’uno attorno all’altro – una disposizione sconcertante che, se confermata, sfiderebbe le aspettative.

"Ci manca qualcosa", ha detto Nienke van der Marel, un ricercatore che studia la formazione dei pianeti all'Osservatorio di Leiden nei Paesi Bassi, "e non sappiamo cosa sia".

Queste improbabili coppie non possono essere facilmente spiegate da nessuna teoria conosciuta sulla formazione di stelle o pianeti fluttuanti. Ma nel giro di una settimana dall’annuncio del JWST, i ricercatori hanno pubblicato una nuova audace idea che descrive come i pianeti giganti potrebbero essere espulsi dal loro sistema natale in coppia: un evento che la maggior parte dei ricercatori aveva ritenuto quasi impossibile. Resta da vedere se la proposta possa o meno rappresentare pienamente l’intero zoo di mondi oscuri e senza stelle. Ma i ricercatori si aspettano che sia a portata di mano una comprensione raffinata dei mondi fluttuanti e dei sistemi stellari che li creano.

"Se effettivamente [questa scoperta] è confermata", ha detto Pietro Plavchan, un astrofisico della George Mason University che non è stato coinvolto nella rilevazione delle coppie di Giove, "sarà davvero rivoluzionario".

Mondi oscuri ovunque

I mondi fluttuanti sono sfuggiti all'attenzione degli astronomi per secoli perché sono estremamente oscuri. Per fondere l’idrogeno e brillare intensamente, le stelle devono essere almeno 80 volte più massicce di Giove. I mondi canaglia sono molto più leggeri e sono comunemente definiti come quelli che pesano meno di 13 Giove. (Qualsiasi cosa tra 13 e 80 Giove può fondere una variante più pesante dell'idrogeno ed è classificata come una nana bruna, o quella che gli astronomi a volte chiamano romanticamente una "stella fallita").

In effetti, la relativa invisibilità dei pianeti in libertà una volta spinse alcuni astrofisici a chiedersi se potessero esserci abbastanza oggetti di questo tipo per spiegare la materia oscura, la massa non identificata di massa che sembra tenere insieme le galassie. Questa domanda ha motivato gli astronomi a cercare segni di tali mondi negli anni '1990, cosa che hanno fatto cercando i modi sottili in cui la loro gravità avrebbe distorto l'aspetto delle stelle davanti alle quali erano passati. La natura indiretta di queste indagini “microlensing” non era adatta per identificare singoli oggetti fluttuanti, ma hanno dimostrato che non c’era abbastanza di ciò che c’era là fuori per costituire la materia oscura.

Le prime immagini di mondi canaglia arrivarono negli anni 2000, quando gli astronomi lo avvistarono qualche oggetti brillano ancora nella luce infrarossa dovuta al calore della loro formazione. Sulla base di tali osservazioni, è emersa una possibile origine. Nel 2010, astrofisici inclusi Sean Raimondo presso l'Università di Bordeaux in Francia hanno simulato l'evoluzione dei sistemi planetari e hanno scoperto che quando un pianeta gigante gassoso espelle un fratello dal proprio sistema natale, come talvolta accade, l'espulsione allunga l'orbita del sopravvissuto in un'ellisse. Gli astronomi avevano visto queste orbite distorte, che il gruppo di Raymond e altri ricercatori interpretarono come cicatrici di traumi interplanetari del passato.

Il primo catalogo sostanziale di mondi fluttuanti non proveniva da cacciatori di pianeti ma da cacciatori di stelle alla ricerca di oggetti simili a stelle con un peso ancora inferiore a quello delle nane brune. Núria Miret Roig dell'Università di Vienna e Hervè Bouy dell'Università di Bordeaux stavano cercando la più piccolissima delle nane brune nella costellazione dello Scorpione, che ospita una nebulosa gassosa che produce tantissime stelle e pianeti. Tra più di 26 milioni di puntini di luce infrarossa in 80,000 immagini, hanno cercato oggetti debolmente luminosi che si muovevano attraverso il loro campo visivo in osservazioni durate 20 anni. Nel 2021 hanno annunciato di aver trovato una taglia di circa 100 oggetti candidati tra 4 e 13 masse di Giove, aumentando il numero di mondi canaglia conosciuti di circa un fattore cinque.

Con più di una manciata di oggetti fluttuanti da analizzare, i ricercatori hanno quindi potuto iniziare a porre domande di base sulla provenienza di questi mondi. Una possibilità era che si fossero formati dai detriti a forma di disco che circondano una stella appena nata, come fanno i pianeti. E poi un incontro casuale con un vicino li aveva espulsi, nello stile delle simulazioni di Raymond del 2010.

La seconda possibilità era che si fossero formati da soli, quando una nuvola isolata di idrogeno ed elio divenne abbastanza densa da collassare in una palla. Questo è il modo in cui nascono le stelle, e renderebbe questi mondi meno simili ai pianeti e più simili alle più piccole nane brune della galassia.

Miret Roig e Bouy conclusero che i loro candidati probabilmente contenevano mondi che si erano formati in entrambi i modi. Gli oggetti più leggeri erano probabilmente pianeti punteggiati, anche se gli astronomi ne avevano trovati troppi per poterli spiegare facilmente utilizzando solo i modelli di espulsione planetaria.

“Ci sono molti pianeti fluttuanti”, ha detto Miret Roig, “e probabilmente si formano attraverso meccanismi diversi”.

Sembrava probabile una miscela di entrambe le origini. Ma quanti dei 100 mondi fluttuanti fossero pianeti e quanti fossero simili a stelle, i ricercatori non potevano dirlo.

Tre giorni dopo la pubblicazione dei risultati di Miret Roig e Bouy, Lancio del JWST, insieme a una nuova era per la caccia ai pianeti fluttuanti.

Gocce di Giove

Gli astronomi sospettavano che JWST sarebbe stata una macchina per la ricerca di pianeti fluttuante. Si trova ben oltre l'oscurità interferente dell'atmosfera terrestre. Il suo specchio gigante gli conferisce una sensibilità molto maggiore alle sottili caratteristiche dell'universo rispetto al suo predecessore, il telescopio spaziale Hubble. E capta la luce infrarossa, il che lo rende perfetto per individuare mondi scarsamente luminosi.

Pearson ha collaborato con Mark McCaughrean, un astronomo dell'ESA, per osservare i mondi fluttuanti più in profondità di quanto fosse stato possibile in precedenza. Erano affascinati dalla formazione stellare e planetaria e volevano prendere di mira oggetti – come le nane brune – nella “caotica zona grigia” tra i due. Lì, "si ottiene il crossover di entrambi i mondi", ha detto Pearson. Nell'ottobre 2022, Pearson e McCaughrean ruotarono il telescopio spaziale verso una stella centrale nella spada appesa alla cintura di Orione. Per 35 ore.

Pearson impiegò mesi per allineare i 12,500 risultanti Immagini JWST della nebulosa di Orione, pixel per pixel. Il compito formidabile è stato vanificato dalla straordinaria sensibilità del telescopio: molti degli oggetti deboli tipicamente utilizzati come punti di riferimento hanno accecato l'occhio ultrasensibile di JWST.

"Le nane brune che normalmente sono difficili da vedere stavano spazzando via pezzi del rivelatore", ha detto. Non è stato "un problema che abbia mai riscontrato con nessun altro telescopio".

Dopo aver completato il mosaico cosmico, Pearson fu ricompensato con l'abbondanza dei mondi misteriosi che cercava: più di 500 oggetti fluttuanti di poche masse di Giove punteggiavano la nebulosa di Orione. Ma la vera sorpresa fu che, guardando da vicino, vide qualcosa che inizialmente non aveva molto senso. Alcune delle macchie di luce erano coppie di oggetti della massa di Giove. In tutto, ha contato 42 coppie di Giove rotanti: un numero sorprendente.

"Aspetta, perché c'è tutta questa roba debole in coppia?" Pearson ha ricordato di essersi chiesto. "Poi il centesimo è caduto e abbiamo capito che dovevamo considerare la cosa con molta attenzione."

Da un punto di vista teorico, questi duetti sembravano quasi impossibili. Era improbabile che fossero pianeti puntati; quando un pianeta ne caccia un altro da un sistema stellare, il pianeta espulso quasi sempre vola via da solo. Ma non potevano nemmeno essere stelle, dal momento che molte di loro pesavano quanto un singolo Giove, una massa troppo leggera perché l'oggetto potesse essersi formato direttamente da una nube di gas in collasso. Il team ha soprannominato i loro duetti misteriosi Jupiter Mass Binary Objects, o JUMBO in breve, e li ha descritti in una prestampa pubblicato il 2 ottobre.

I JUMBO hanno colto di sorpresa gli esperti di formazione stellare e planetaria. “Questo non era stato affatto previsto. Non esistono teorie secondo le quali ci saremmo aspettati questi oggetti planetari ampi e fluttuanti in questi numeri”, ha detto Matteo Bate, un astrofisico dell'Università di Exeter specializzato nella formazione stellare.

Gli astronomi avevano osservato in precedenza che, sebbene molte stelle massicce volteggino nello spazio insieme a partner, la percentuale di stelle accoppiate diminuisce con la loro massa. “Di solito ci aspettiamo che le tendenze continuino”, ha affermato van der Marel. Pertanto, ha detto, la percentuale di oggetti della massa di Giove in coppie “dovrebbe andare a zero”. Non c'era stato alcun balzo fino al 10% sulla cartella bingo JWST di nessuno.

Il problema è che almeno alcuni dei JUMBO sono probabilmente miraggi. Più un oggetto si trova in profondità in un ambiente polveroso (e la nebulosa di Orione è estremamente polverosa), più è difficile distinguerlo da una stella distante e più massiccia dietro la nebulosa, che ci si aspetterebbe avere un partner. In studi precedenti, tra il 20% e l’80% di quelli che sembravano mondi fluttuanti si sono rivelati stelle vanigliate. "Bisogna essere un po' cauti in questo momento", ha detto Miret Roig.

In primavera, Pearson e McCaughrean utilizzeranno nuovamente JWST per osservare nuovamente la loro serie di mondi fluttuanti, questa volta in uno spettro di colori più ricco. Queste osservazioni di follow-up aiuteranno a confermare quali JUMBO sono reali cercando tracce di metano o acqua nelle loro atmosfere, una firma rivelatrice di mondi di massa gioviana.

"Una volta che hai gli spettri", ha detto Pearson, "praticamente non c'è posto dove nascondersi".

Simulazioni veloci

Anche senza conferma, i teorici stanno già correndo per spiegare questi mondi sconcertanti.

Rosalba Perna, astrofisica della Stony Brook University, ha sentito parlare dei JUMBO di Orione nelle notizie, prima ancora di leggere l'articolo di Pearson. Perna e Yihan Wang dell'Università del Nevada, a Las Vegas, stavano studiando cosa succede quando una stella sorvola un altro sistema solare. Si erano concentrati principalmente sulla simulazione di sistemi con un unico pianeta gigante. Ma i JUMBO hanno portato Perna a chiedersi: e se esistessero due pianeti giganti? Chiamò Wang e gli chiese di vedere cosa sarebbe successo se avesse inserito un secondo Giove nelle simulazioni.

Wang ha impostato il suo programma per scagliare stelle digitali contro innumerevoli sistemi stellari formati da due Giove da tutte le angolazioni. Ha anche impostato il software per avvisarlo se la stella "intrusa" ha mandato entrambi i pianeti nello spazio insieme, creando un JUMBO. Poi inviò il codice a un cluster informatico della sua università e andò a pranzo.

Quando Wang tornò nel suo ufficio e controllò il suo computer, trovò un elenco di avvisi che dicevano "pianeta binario formato!!!"

Dopo decine di miliardi di simulazioni, il team ha visto che avviare coppie di Giove era relativamente facile se i pianeti si trovavano abbastanza vicini tra loro quando la stella predatrice passava loro accanto. Ciò è accaduto soprattutto spesso per i vicini con orbite ravvicinate (si pensi a Urano e Nettuno). In questi casi, fino a 20 espulsioni su 100 hanno prodotto JUMBO (gli altri 80 hanno prodotto singoli pianeti): più che sufficienti per giustificare il tasso del 10% che Pearson aveva osservato su Orione. Ma per i pianeti con orbite più distanti (si pensi a Giove-Nettuno), quasi tutte le espulsioni hanno dato luogo a pianeti solitari.

Con il contributo del collega di Wang Zhaohuan Zhu, il gruppo ha lavorato XNUMX ore su XNUMX (e in un caso durante un volo per l'Europa). Il trio ha scritto i propri risultati e pubblicato una prestampa il 9 ottobre, una settimana dopo il ritrovamento di JUMBO.

"La velocità con cui hanno scritto è un po' spaventosa", ha detto Pearson.

Altri astrofisici teorici devono ancora digerire completamente i nuovi risultati, ma li trovano plausibili e sorprendenti. "Non pensavo che [creare una coppia di pianeti fluttuanti] fosse possibile dal punto di vista dell'espulsione", ha detto Raymond. "Ma poi è uscito questo documento."

Tuttavia, alcuni dettagli della teoria dell’intruso stellare necessiteranno di ulteriori studi. La nebulosa di Orione è un luogo denso con tantissime stelle che sfrecciano intorno, ma è abbastanza caotico da creare prima sistemi solari e poi distruggerli, il tutto nel giro di pochi milioni di anni? Inoltre, molti dei JUMBO di Pearson e McCaughrean orbitano l'un l'altro a grandi distanze; sono molte volte più lontani l'uno dall'altro di quanto Plutone sia dalla Terra. Ma secondo le simulazioni di Wang, l’unico modo per ottenere JUMBO così distanziati è iniziare con sistemi solari altrettanto distanziati, che gli astronomi vedono raramente.

"Sappiamo dalle ricerche dirette di immagini di giovani stelle che pochissime stelle hanno pianeti giganti in orbite [ampie]", ha detto Bate. “È difficile accettare che ci fossero molti grandi sistemi planetari su Orione da distruggere”.

Gli oggetti canaglia abbondano

A questo punto, molti ricercatori sospettano che esista più di un modo per creare questi strani oggetti intermedi. Ad esempio, con un po’ di manovre, i teorici potrebbero scoprire che le onde d’urto delle supernovae possono comprimere nubi di gas più piccole e aiutarle a collassare in coppie di minuscole stelle più facilmente del previsto. E le simulazioni di Wang hanno dimostrato che l'avvio di pianeti giganti in coppia è, almeno in alcuni casi, teoricamente inevitabile.

Sebbene rimangano molte domande, la moltitudine di mondi fluttuanti scoperti negli ultimi due anni ha insegnato ai ricercatori due cose. Innanzitutto, si formano rapidamente: nel corso di milioni di anni, anziché miliardi. In Orione, le nubi di gas sono collassate e si sono formati pianeti, e alcuni, forse, sono stati addirittura trascinati nell'abisso dal passaggio delle stelle, tutto durante il periodo in cui gli esseri umani moderni si stavano evolvendo sulla Terra.

“Formare un pianeta in 1 milione di anni è difficile con i modelli attuali”, ha detto van der Marel. "Questa [scoperta] aggiungerebbe un altro pezzo a quel puzzle."

In secondo luogo, ci sono un sacco di mondi liberi là fuori. E i giganti del gas pesante sono i più difficili da sfrattare dai loro sistemi, proprio come una palla da bowling sarebbe l’oggetto più difficile da far cadere da un tavolo da biliardo. Questa osservazione suggerisce che per ogni Giove avvistato, numerosi Nettuno e Terre fluttuanti passano inosservati.

Probabilmente viviamo in una galassia brulicante di mondi banditi di tutte le dimensioni.

Ora, quasi mezzo millennio dopo che Galileo si meravigliò della miriade di puntini di luce – lune, pianeti e stelle – nei cieli della Terra, i suoi successori stanno facendo conoscenza con la punta più luminosa dell’iceberg di oggetti più scuri alla deriva tra di loro. Le minuscole stelle, i mondi senza stelle, gli asteroidi invisibili, le comete aliene e altro ancora.

"Sappiamo che c'è un sacco di merda tra le stelle", ha detto Raymond. Questo tipo di ricerca sta “aprendo una finestra su tutto questo, non solo sui pianeti fluttuanti ma su tutto ciò che fluttua liberamente in generale”.

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