Un nuovo studio ricostruisce la possibile composizione, l’evoluzione e la stabilità dei quattro pianeti che orbitano intorno a una delle stelle più vicine al Sole. Sono mondi rocciosi più piccoli della Terra, probabilmente privi di atmosfera e ricchi di un minerale raro sulla superficie terrestre.
A meno di sei anni luce dalla Terra si trova uno dei sistemi planetari più interessanti scoperti negli ultimi anni. La Stella di Barnard, una piccola e antica nana rossa, ospita almeno quattro pianeti rocciosi, tutti con masse comprese tra quelle di Marte e della Terra.
La loro relativa vicinanza potrebbe far pensare a obiettivi promettenti per la ricerca di ambienti abitabili. Le nuove analisi, tuttavia, delineano uno scenario molto diverso: questi pianeti sarebbero mondi aridi, geologicamente freddi, probabilmente privi di atmosfera e sottoposti a condizioni estreme.
Lo studio, condotto da un gruppo dell’Università di Cambridge e pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, rappresenta il tentativo più dettagliato compiuto finora di ricostruire la struttura interna e l’evoluzione dei quattro pianeti della Stella di Barnard.
Un sistema planetario in miniatura
La Stella di Barnard si trova a circa 1,8 parsec, equivalenti a poco meno di sei anni luce. Escludendo le stelle del sistema multiplo di Alpha Centauri, è la stella singola più vicina al Sole.
Si tratta di una nana rossa di classe M, con una massa pari a circa il 16% di quella solare e un’età stimata intorno ai dieci miliardi di anni. Attorno a essa orbitano quattro pianeti individuati attraverso il metodo delle velocità radiali, che misura le minuscole oscillazioni della stella prodotte dall’attrazione gravitazionale dei pianeti.
Il metodo consente però di determinare soltanto la massa minima di ciascun pianeta. Per stimarne la massa reale, i ricercatori hanno studiato la stabilità dinamica dell’intero sistema: se i pianeti fossero molto più massicci di quanto indicato dalle misurazioni, le loro reciproche perturbazioni gravitazionali renderebbero le orbite instabili.
Le simulazioni suggeriscono che nessuno dei quattro mondi dovrebbe possedere una massa superiore a circa due volte e mezzo quella minima misurata. I valori più probabili variano da circa 0,19 a 0,84 masse terrestri. Sono quindi pianeti più grandi di Marte, ma più piccoli della Terra: una categoria di corpi celesti assente nel nostro Sistema solare e ancora poco conosciuta.
Tutti e quattro orbitano entro appena 0,04 unità astronomiche dalla stella. In confronto, Mercurio si trova mediamente a 0,39 unità astronomiche dal Sole. Persino il pianeta più esterno del sistema della Stella di Barnard è dunque circa dieci volte più vicino alla propria stella di quanto Mercurio lo sia alla nostra.
Un emisfero nel giorno eterno
La loro estrema vicinanza alla stella avrebbe prodotto anche il blocco mareale. Come la Luna mostra sempre la stessa faccia alla Terra, ciascuno di questi pianeti rivolgerebbe permanentemente lo stesso emisfero verso la Stella di Barnard.
Un lato sarebbe quindi esposto a un giorno senza fine, mentre l’altro rimarrebbe immerso in una notte permanente. Secondo i calcoli, il processo di sincronizzazione della rotazione potrebbe essere avvenuto in un periodo compreso tra uno e dieci milioni di anni: un intervallo brevissimo rispetto ai circa dieci miliardi di anni del sistema.
Le orbite dei tre pianeti più interni presentano inoltre rapporti vicini a una risonanza 4:3. In altre parole, mentre un pianeta completa quattro orbite, quello successivo ne percorre approssimativamente tre. Una simile “armonia gravitazionale” potrebbe contribuire a mantenere ordinato un sistema tanto compatto.
La presenza di una vera catena di risonanze, però, non è ancora stata dimostrata. Le attuali misurazioni delle velocità radiali non permettono di determinare con sufficiente precisione alcuni parametri orbitali. Saranno quindi necessarie ulteriori osservazioni per capire se la stabilità del sistema dipenda effettivamente da questa particolare configurazione.
Atmosfere spazzate via
Le dimensioni ridotte dei pianeti e la loro vicinanza alla stella rendono molto difficile trattenere un’atmosfera. La bassa gravità permette infatti ai gas di disperdersi più facilmente nello spazio, mentre le radiazioni ultraviolette e l’attività stellare accelerano la fuga atmosferica.
I modelli elaborati dai ricercatori indicano che eventuali atmosfere primarie, formatesi insieme ai pianeti catturando gas dal disco protoplanetario, avrebbero potuto sopravvivere al massimo per circa due miliardi di anni. Poiché il sistema è cinque volte più antico, oggi questi mondi sarebbero con ogni probabilità quasi completamente privi d’aria.
Anche la possibilità che abbiano successivamente prodotto un’atmosfera attraverso eruzioni vulcaniche appare ridotta. I pianeti piccoli disperdono il calore interno più rapidamente rispetto ai corpi di maggiori dimensioni, perché possiedono una superficie relativamente grande rispetto al loro volume.
Inoltre, i loro mantelli produrrebbero oggi circa la metà del calore radiogenico generato da quello terrestre. Gran parte degli elementi radioattivi originari avrebbe avuto il tempo di decadere durante i dieci miliardi di anni trascorsi dalla formazione del sistema. Mantelli più freddi significano meno attività geologica, meno vulcanismo e quindi minori possibilità di liberare gas e vapore acqueo in superficie.
Pianeti ricchi di magnesio
Uno degli aspetti più originali dello studio riguarda il tentativo di ricostruire la composizione interna dei pianeti partendo dalla composizione chimica della loro stella.
Le stelle e i pianeti che le circondano si formano dallo stesso materiale. Per elementi refrattari come ferro, magnesio e silicio, le proporzioni misurate nell’atmosfera stellare possono quindi offrire indicazioni sulla struttura delle rocce planetarie.
La Stella di Barnard presenta un rapporto tra magnesio e silicio insolitamente elevato. Secondo i modelli, questa abbondanza potrebbe aver prodotto mantelli molto ricchi di ferropericlasio, un minerale costituito principalmente da ossido di magnesio e ferro.
Sulla Terra il ferropericlasio è presente soprattutto nel mantello inferiore, a centinaia di chilometri di profondità. Nei pianeti della Stella di Barnard potrebbe invece rappresentare uno dei componenti dominanti dell’intero mantello.
Questa composizione avrebbe conseguenze importanti per l’acqua. Minerali terrestri come l’olivina possono incorporare notevoli quantità di acqua nella propria struttura cristallina. Il ferropericlasio ne immagazzina molto meno.
I mantelli dei quattro pianeti potrebbero quindi avere una capacità di trattenere acqua inferiore alla metà di quella terrestre. Anche nel caso in cui questi mondi fossero nati con una certa quantità di acqua, avrebbero avuto riserve interne relativamente limitate da liberare successivamente attraverso il vulcanismo.
Mondi inospitali, ma scientificamente preziosi
Definire questi pianeti “inabitabili” non significa che siano privi di interesse. Al contrario, il sistema della Stella di Barnard offre un laboratorio naturale straordinariamente vicino per studiare una popolazione planetaria ancora poco rappresentata nelle osservazioni: quella dei pianeti rocciosi più piccoli della Terra.
Lo studio dimostra inoltre come sia possibile ottenere informazioni sulla struttura di mondi che non possiamo osservare direttamente combinando chimica stellare, simulazioni orbitali, modelli atmosferici e geofisica planetaria.
Alcune conclusioni restano necessariamente indirette. I ricercatori hanno dovuto assumere, per esempio, che i pianeti abbiano ereditato le proporzioni chimiche della stella e che si siano formati secondo processi almeno in parte simili a quelli che hanno prodotto la Terra. Anche le proprietà dei minerali a rapporti di magnesio e silicio tanto elevati non sono ancora state verificate completamente in laboratorio.
Le previsioni potrebbero comunque essere messe alla prova dai telescopi della prossima generazione. L’Extremely Large Telescope europeo potrebbe analizzare la luce riflessa dai pianeti e cercare segnali riconducibili alla presenza di superfici o atmosfere. La missione PLATO dell’Agenzia spaziale europea contribuirà invece a individuare molti altri piccoli mondi rocciosi, riducendo l’attuale preferenza osservativa per pianeti più grandi e facili da rilevare.
I quattro pianeti della Stella di Barnard potrebbero dunque essere troppo caldi, aridi e privi d’aria per ospitare la vita. Ma proprio la loro natura estrema aiuta gli astronomi a comprendere quanto possa essere varia la geologia dei mondi rocciosi e quali condizioni siano davvero necessarie perché un pianeta riesca a conservare acqua, atmosfera e abitabilità per miliardi di anni.
Stefano Camilloni
