55 Cancri-e. Un pianeta di diamanti

Riuscite a pensare ad un pianeta composto in larga misura da diamanti e dalla meno conturbante grafite?

No?! Come darvi torto!

Nemmeno uno scrittore di fantascienza nel pieno del suo climax creativo penserebbe di centrare una storia sulla esistenza di un tale pianeta. Sa bene infatti che i lettori hardcore di fantascienza pretendono coerenza interna e plausibilità scientifica e non fantasie alla Paperon de' Paperoni.

E farebbe male però, dati i recenti sviluppi della ricerca condotta dagli astrofisici di Yale il cui lavoro è stato pubblicato su Astrophysical Journal Letters.

Nello studio, udite udite, si suggerisce l'esistenza di un pianeta roccioso di dimensioni terresti costituito principalmente dalla preziosa forma allotropica del carbonio, il diamante.

Prima di correre a prenotare un posto sulla prima navicella spaziale in partenza con un volo no-stop per il pianeta, diamo una rapida scorsa al contenuto dell'articolo.  "Questo è il primo esempio di un mondo roccioso con una chimica fondamentalmente diversa da quella della Terra. La superficie del pianeta è probabilmente coperta di grafite e diamante invece che di acqua e granito" riassume Nikku Madhusudhan, uno degli autori dello studio.
Aggiungo alla frase autoesplicativa una nota di cautela: i primi dati emersi dopo la scoperta del pianeta nel 2011 avevano fatto pensare alla presenza di acqua allo stato supercritico. I dati recenti modificano sostanzialmente la visione trasformando il pianeta simil terrestre (in quanto roccioso e non certo per la temperatura da fornace) in un pianeta fornace ricco di carbonio.

Il pianeta in questione, 55 Cancri-e, ha un raggio doppio di quello terrestre e una massa otto volte maggiore; un dato che non sorprende visto che il volume aumenta al cubo all'aumentare unitario del raggio. Si tratta di uno dei cinque pianeti orbitanti intorno a 55 Cancri A, una nana gialla - quindi come il Sole - parte di un sistema binario (55 Cancri AB), che si trova a 40 anni luce da noi. L'altra stella del sistema binario, 55 Cancri B, è una nana rossa che orbita a distanza di 1000 UA dalla prima. La stella è visibile ad occhio nudo all'interno della costellazione del cancro.

La strada per 55 Cancri (®yale.edu)

Il video che segue è, visivamente, il migliore disponibile sulle caratteriste del sistema 55 Cancri A.

Il pianeta orbita molto vicino a 55 Cancri A (0,015 UA contro le 0,4 UA di Mercurio - vedi qui la definizione aggiornata di Unità Astronomica) e compie un orbita completa intorno alla stella in sole 18 ore!! La zona orbitale ipoteticamente compatibile con l'esistenza di un pianeta "abitabile" è in questo sistema fra 0,7 e 1,4 UA.

Comparazione fra sistema solare e 55 Cancri.
55 Cancri-e è l'orbita più interna (®wikipedia)

Quasi inutile aggiungere che si tratta di un posto estremamente caldo con una temperatura di circa 2500 gradi centigradi sulla superficie.
Un dato da ricordare visto che a temperatura e pressione sufficientemente elevata la stabilità delle diverse forme allotropiche del carbonio cambia. Il diamante ad esempio può in tali condizioni trasformarsi in grafite (e viceversa se la temperatura non supera i 3000°C).
Nel grafito a fianco si può osservare come il diamante sia la forma allotropica favorita in condizioni di pressione elevate. In laboratorio è possibile creare nell'arco di poche settimane diamanti da grafite esponendo il materiale a temperature di 2500°C e 60 mila bar di pressione.

La pressione è sull'asse y.
Immagine da ica-net.it

Vale la pena sottolineare che i dati qui presentati correggono completamente le ipotesi preliminari sulla composizione di questo pianeta che si supponeva contenere acqua allo stato super-critico (vedi il mio articolo precedente basato sui vecchi dati, qui). Una ipotesi errata  condizionata dalla teoria secondo cui i pianeti rocciosi per essere tali dovevano avere una composizione simile a quella dei pianeti rocciosi (o anche detti in modo fuorviante terrestri) del sistema solare. Una teoria come vedremo poi, errata.

Già nel 2011 l'osservazione da parte di Madhusudhan dell'esistenza di un pianeta gigante gassoso ricco in carbonio aveva sollevato il dubbio che in realtà gli esoplaneti potevano essere molto diversi rispetto alle attese. La scoperta aveva anche spinto ad ipotizzare che se esistevano pianeti gassosi "anomali" allora potevano esistere anche pianeti rocciosi ricchi di carbonio (un elemento di cui i pianeti terrestri sono poveri). I pianeti di diamante appunto. 

Per giungere a tale conferma si dovette però attendere di avere a disposizione misure dimensionali e orbitali più accurate su 55 Cancri-e. Queste informazioni associate ad i calcoli della massa hanno permesso di inferire la sua composizione chimica. Utilizzando simulazioni al computer di orbita, temperatura e calcolando tutte le possibili combinazioni di elementi e composti in grado di giustificare le osservazioni, il modello matematico vincente fu quello del diamante e della grafite.

Ecco allora 55 Cancri-e, un pianeta che a differenza di quelli rocciosi (o terrestri) ricchi di ossigeno e poveri di carbonio (meno di una parte su 1000) è del tutto diverso rispetto alle prime ipotesi.
Segue un video della NASA (link diretto) sulle modalità della identificazione di 55 Cancri-e.

A posteriori si può affermare che gli astronomi avevano già un indizio che qualcosa di diverso ci fosse in 55 Cancri A per il tipo di spettro di emissione stellare, i cui valori di carbonio e ossigeno erano diversi da quelli solari. Ora Madhusudhan e collaboratori hanno confermato che gli elementi verosimilmente presenti al momento della formazione dei pianeti del sistema 55 Cancri erano principalmente carbonio e carburi di silicio, con quantità irrilevanti di ghiaccio d'acqua. Da qui la deduzione che il pianeta sia costituito principalmente di carbonio (grafite e diamante date le condizioni), ferro, carburi di silicio e silicati. Una stima arriva a sostenere che più del 30% del pianeta (tre volte la massa terrestre) sia di diamante.

L'avere identificato un pianeta roccioso ricco di carbonio smantella la teoria standard che vede i pianeti rocciosi (ripeto quelli rocciosi, NON i giganti gassosi) sparsi nella galassia avere una composizione chimica simile a quella dei pianeti terrestri del sistema solare.

Molto probabilmente il pianeta di diamante, così come quelli "solari", sono solo uno delle tante combinazioni possibili che derivano in primis dalle particolarità stellari.

Una osservazione non da poco visto che al variare della composizione variano anche i processi "evolutivi" del pianeta, basati su dispersione termica e tettonica solo per citare i primi due che mi vengono in mente.

La struttura di un pianeta è evidentemente più difficile da ipotizzare rispetto a quella di una stella. Una volta che di quest'ultima si conosce la massa e lo spettro di emissione diviene facile comprenderne l'evoluzione e la composizione. Per un pianeta le variabili da considerare sono molte di più.

(In questo blog sono successivamente apparsi altri articoli successivo sull'argomento esopianeti qui. Potrebbe interessarti inoltre l'articolo "Diamanti su Saturno?)

Fonti

- A Possible Carbon-rich Interior in Super-Earth 55 Cancri e 
   N. Madhusudhan et al,  ApJ Letters; arXiv: 1210.2720

- Yale University, news

- Solstation.com, qui

- Un altro pianeta estremo, qui

- Per articoli in questo blog sul tema, clicca sul tag esopianeti o qui.