"Non ci sono pianeti così nel nostro Sistema Solare", ha detto Renyu Hu del NASA Hubble Fellow, presso il Jet Propulsion Laboratory a Pasadena, California, autore del nuovo studio accettato per la pubblicazione dalla rivista Astrophysical Journal. "Ma riteniamo che i pianeti con atmosfere di elio possano essere comuni attorno ad altre stelle".

Helium Atmospheres on Warm Neptune- and Sub-Neptune-Sized Exoplanets and Applications to GJ 436 b [abstract]

Warm Neptune- and sub-Neptune-sized exoplanets in orbits smaller than Mercury's are thought to have experienced extensive atmospheric evolution. Here we propose that a potential outcome of this atmospheric evolution is the formation of helium-dominated atmospheres. The hydrodynamic escape rates of Neptune- and sub-Neptune-sized exoplanets are comparable to the diffusion-limited escape rate of hydrogen, and therefore the escape is heavily affected by diffusive separation between hydrogen and helium. A helium atmosphere can thus be formed -- from a primordial hydrogen-helium atmosphere -- via atmospheric hydrodynamic escape from the planet. The helium atmosphere has very different abundances of major carbon and oxygen species from those of a hydrogen atmosphere, leading to distinctive transmission and thermal emission spectral features. In particular, the hypothesis of a helium-dominated atmosphere can explain the thermal emission spectrum of GJ 436 b, a warm Neptune-sized exoplanet, while also consistent with the transmission spectrum. This model atmosphere contains trace amounts of hydrogen, carbon, and oxygen, with the predominance of CO over CH4 as the main form of carbon. With our atmospheric evolution model, we find that if the mass of the initial atmosphere envelope is 1E-3 planetary mass, hydrodynamic escape can reduce the hydrogen abundance in the atmosphere by several orders of magnitude in ~10 billion years. Observations of exoplanet transits may thus detect signatures of helium atmospheres and probe the evolutionary history of small exoplanets.

Il telescopio spaziale Kepler ha trovato centinaia di nettuniani caldi candidati: hanno una massa siminle a quella di Nettuno o Urano ed orbitano generalmente molto vicino alla loro stella, più di quanto Mercurio non faccia con il Sole, tanto da raggiungere temperature intorno ai 730 gradi Celsius. Hanno probabilmente un nucleo roccioso o liquido, circondato da gas.

Secondo Hu e colleghi, mentre l'idrogeno presente nelle loro atmosfere sarebbe annientato dal calore della loro stella madre, questi pianeti e quelli leggermente più piccoli sarebbero circondati da strati di elio.

"L'idrogeno è quattro volte più leggero dell'elio e quindi scompare facilmente dall'atmosfera dei pianeti, facendo aumentare la concentrazione di elio nel corso del tempo", ha detto Hu. "Il processo è graduale e ci impiega fino a 10 miliardi di anni prima di essere completato" (come riferimento, la Terra ha circa 4,5 miliardi di anni).

Se l'elio fosse davvero un elemento dominante nelle loro atmosfere, il loro colore risulterebbe bianco o grigio, in contrasto, con l'azzurro brillante di Nettuno, nel nostro Sistema Solare. Il metano presente nella sua atmosfera, infatti, assorbe il colore rosso, donando al pianeta una tonalità blu. Ma questa potrebbe non essere la regola. Il team, infatti, ha notato che GJ 436b (noto anche come Gliese 436 b), a circa 33 anni luce dalla Terra, mostra tracce di carbonio ma non mostra metano. Questo fatto è stato piuttosto sconcertante per gli scienziati dal momento in cui una molecola di metano è composta da un atomo di carbonio e quattro di idrogeno (CH4). Perché in questo caso l'idrogeno non si è legato al carbonio per produrre metano?

Secondo lo studio, l'idrogeno sarebbe bruciato lentamente ed evaporato a causa della radiazione della stella madre. Con meno idrogeno intorno, il carbonio eguaglia quasi l'ossigeno e può formare monossido di carbonio (CO), un gas effettivamente identificato da Spitzer nell'atmosfera di GJ 436b.

Elio-pianeti

Questo schema mostra come potrebbe formarsi un'atmosfera all'elio sui nettuniani caldi.
Credit: NASA/JPL-Caltech

Ora, il team dovrà trovare altri pianeti nettuniani caldi da osservare alla ricerca di tracce di monossido e biossido di carbonio, segni di una probabile atmosfera di elio. Di sicuro, un aiuto arriverà dal telescopio spaziale Hubble o dal prossimo James Webb che potrà rilevare l'elio direttamente.

"Ogni pianeta che si possa immaginare probabilmente esiste là fuori", ha concluso la co-autrice dello studio Sara Seager, del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge e del JPL.

Press release:
- http://www.nasa.gov/jpl/spitzer/helium-shrouded-planets-may-be-common-in-our-galaxy