James Webb scopre ghiaccio attorno a Beta Pictoris, potrebbe essere più antico della stella

Una parte del ghiaccio presente attorno a Beta Pictoris potrebbe essersi formata nello spazio interstellare, prima ancora della nascita della stella. È quanto suggeriscono le osservazioni del telescopio spaziale James Webb, che ha identificato acqua ghiacciata e anidride carbonica nel disco di detriti che circonda questo giovane sistema planetario, distante circa 64 anni luce dalla Terra.

La scoperta arriva da uno studio pubblicato sulla rivista Science e coordinato da Sarah Betti, astronoma dello Space Telescope Science Institute di Baltimora. Gli scienziati hanno analizzato la composizione del materiale che orbita intorno alla stella, individuando caratteristiche chimiche e strutturali compatibili con quelle dei ghiacci presenti nelle comete del Sistema Solare.

Beta Pictoris ha circa 20 milioni di anni, un'età relativamente giovane per una stella. Attorno a essa si estende un grande disco composto da polveri e frammenti solidi, nel quale proseguono i processi legati all'evoluzione dei pianeti. Nel sistema sono già stati individuati tre pianeti, mentre le collisioni tra corpi più piccoli continuano a modificare la distribuzione dei materiali.

La presenza di ghiaccio era considerata plausibile da tempo, ma le precedenti osservazioni non avevano fornito conferme. Le ricerche di vapore acqueo non avevano prodotto risultati e nemmeno le analisi della luce stellare, condotte alla lunghezza d'onda di circa 3 micrometri, erano riuscite a identificare il segnale caratteristico dell'acqua ghiacciata.

Il problema riguarda anche la capacità del ghiaccio di resistere alla radiazione ultravioletta emessa dalla stella. Secondo i modelli teorici, i piccoli granelli costituiti esclusivamente da acqua ghiacciata possono essere distrutti più rapidamente di quanto le collisioni riescano a generarne di nuovi. La presenza di altre molecole al loro interno, invece, potrebbe aumentarne la sopravvivenza.

Per verificare questa possibilità, il gruppo di ricerca ha utilizzato lo spettrografo nel vicino infrarosso NIRSpec del telescopio James Webb. Le osservazioni, effettuate il 7 dicembre 2023, hanno permesso di registrare la luce su un intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 0,6 e 5,2 micrometri. Dopo aver ridotto il contributo luminoso della stella, gli astronomi hanno studiato la radiazione riflessa dalle polveri del disco.

L'analisi ha rivelato segnali compatibili con l'assorbimento prodotto dal ghiaccio d'acqua vicino ai 3 micrometri. Gli scienziati hanno inoltre identificato l'anidride carbonica ghiacciata attraverso le sue caratteristiche spettrali, comprese quelle associate alla variante contenente carbonio-13, un isotopo meno abbondante del carbonio.

Due regioni situate sui lati opposti della stella, a una distanza di circa 100 unità astronomiche, hanno fornito risultati particolarmente significativi. In entrambe sono state riconosciute le tracce dei due composti, mentre la distribuzione del ghiaccio d'acqua è risultata sorprendentemente uniforme nell'area esaminata.

La forma dei segnali dell'anidride carbonica ha offerto un ulteriore indizio. Rispetto alle misurazioni di laboratorio sul ghiaccio puro, le bande di assorbimento apparivano più larghe e leggermente spostate verso lunghezze d'onda inferiori. Questo comportamento indica che le molecole di anidride carbonica potrebbero essere intrappolate direttamente nella struttura del ghiaccio d'acqua.

Non si tratterebbe quindi di granelli separati, ciascuno composto da una sola sostanza, ma di un materiale nel quale acqua e anidride carbonica sono mescolate. Una configurazione che corrisponde al ghiaccio contenente impurità previsto dai modelli come maggiormente resistente all'azione della radiazione ultravioletta.

Le proporzioni misurate rafforzano il collegamento con il nostro Sistema Solare. I ricercatori hanno stimato poco più di una molecola di anidride carbonica ogni dieci molecole d'acqua, una quantità equivalente a circa l'11% della miscela ghiacciata. Il valore rientra nell'intervallo compreso tra il 2,5% e il 30% osservato nelle comete del Sistema Solare ed è compatibile con il 7-20% rilevato nei ghiacci dei dischi attorno ad altre stelle appena nate.

Queste somiglianze suggeriscono che i materiali potrebbero avere un'origine comune dal punto di vista dei processi fisici e chimici. Il ghiaccio potrebbe essersi accumulato sui granelli di polvere all'interno di nubi interstellari fredde e dense, durante le prime fasi della formazione stellare, prima di essere incorporato nei corpi che oggi popolano il sistema di Beta Pictoris.

Un altro elemento decisivo riguarda la struttura dell'acqua ghiacciata. Quando congela in determinate condizioni di temperatura, l'acqua forma cristalli nei quali le molecole assumono una disposizione ordinata. Questo ghiaccio cristallino produce un segnale riconoscibile poco oltre i 3 micrometri, ma nelle osservazioni di Beta Pictoris tale caratteristica non è stata individuata.

Il materiale appare invece quasi interamente amorfo, cioè privo di una struttura cristallina regolare. Si tratta di una forma simile al vetro, che può svilupparsi quando le molecole d'acqua si depositano rapidamente a temperature estremamente basse. Secondo le stime dello studio, la componente cristallina rappresenterebbe meno del 7% del ghiaccio d'acqua presente nel sistema.

Il risultato contrasta con le previsioni di alcuni modelli, secondo i quali nei dischi di detriti dovrebbe prevalere il ghiaccio cristallino. Per conservare una struttura amorfa, il materiale deve generalmente rimanere al di sotto di circa 100 kelvin, equivalenti a meno 173 gradi Celsius. In alternativa, radiazioni ultraviolette ad alta energia, raggi cosmici o particelle provenienti dalla stella potrebbero alterare continuamente l'organizzazione delle molecole.

Gli astronomi ritengono quindi probabile che almeno una parte del ghiaccio abbia avuto origine nel mezzo interstellare, molto prima che i pianeti di Beta Pictoris iniziassero a formarsi. Resta però da spiegare come questi materiali riescano a mantenere una distribuzione così regolare in un ambiente sottoposto all'azione della radiazione stellare.

Una possibile risposta arriva dalle collisioni tra planetesimi, piccoli corpi solidi coinvolti nei processi di formazione planetaria. Gli urti libererebbero continuamente nuove quantità di polvere ghiacciata, portando allo scoperto anche materiale rimasto protetto negli strati interni degli oggetti coinvolti. In questo modo il disco potrebbe recuperare parte del ghiaccio distrutto dalla luce della stella.

L'ipotesi trova sostegno in precedenti immagini infrarosse, che avevano mostrato una struttura curva e asimmetrica di polveri nella regione sud-occidentale del disco. Gli astronomi l'avevano interpretata come una possibile traccia lasciata da una collisione particolarmente energetica tra corpi solidi.

Le nuove osservazioni offrono inoltre elementi a favore dell'ipotesi che il monossido di carbonio gassoso rilevato attorno a Beta Pictoris provenga dalla distruzione di oggetti ricchi di ghiaccio. Gli stessi ricercatori precisano tuttavia che i dati non consentono di stabilire con esattezza la quantità di ghiaccio cristallino né di escludere la presenza di altre molecole nella miscela.

La somiglianza con i materiali delle comete terrestri apre una prospettiva sulla formazione dei sistemi planetari. Se il ghiaccio interstellare può sopravvivere alla nascita di una stella ed essere successivamente incorporato nei corpi che la circondano, gli ingredienti necessari alla formazione di pianeti ricchi d'acqua potrebbero essere diffusi anche in altre regioni della galassia. La scoperta non dimostra la presenza di mondi abitabili attorno a Beta Pictoris, ma indica un possibile meccanismo attraverso il quale l'acqua può essere trasportata dalle nubi interstellari ai sistemi planetari in formazione.