Alla ricerca di una nuova Terra – Prima parte

“Esistono innumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli […] Vediamo solo le stelle perché sono i corpi più grandi e sono luminosi, mentre i loro pianeti rimangono invisibili perché sono più piccoli e non luminosi. Gli altri mondi nell’Universo non sono né peggiori né meno abitati della nostra Terra”. Giordano Bruno (1548-1600)

Un pianeta simile alla Terra non è ancora stato trovato, non perché non esista ma perché non abbiamo ancora la tecnologia per poterlo individuare.
Fino a una ventina di anni fa non eravamo neppure in grado di abbozzare una risposta alla domanda: esistono pianeti al di fuori del nostro Sistema Solare?
La situazione è cambiata a partire dal 1995 quando gli astronomi svizzeri Michel Mayor e Didier Queloz scoprirono il primo pianeta attorno ad una stella simile al Sole, 51 Pegasi, con un periodo di 3 giorni e una massa metà di quella di Giove.

51 Pegasi b e la sua stella in una rappresentazione artistica. Crediti: NASA

51 Pegasi b e la sua stella in una rappresentazione artistica. Crediti: NASA

Da quel momento il numero di è aumentato fino a superare la soglia dei 2400. Questi sistemi planetari hanno caratteristiche per lo più differenti da quelle del nostro Sistema Solare.
Per esempio, sono stati osservati pianeti denominati Super-Terre (pianeti rocciosi con massa da 2 a 10 volte la massa della Terra) e Hot Jupiter (giganti gassosi con masse confrontabili o superiori a quelle di Giove) molto vicini alla loro stella ospite, ben al di là dell’orbita di Mercurio, il pianeta roccioso più interno nel nostro Sistema Solare.

Per spiegare la presenza di corpi rocciosi e gassosi molto vicini alla loro stella, la teoria della formazione planetaria ha intrapreso due strade distinte.

Una rappresentazione artistica di un sistema planetario in formazione. Crediti: NASA

Una rappresentazione artistica di un sistema planetario in formazione. Crediti: NASA

La teoria maggiormente accreditata, quella dell’interazione disco-pianeta (o interazione disco-pianeta) afferma che i pianeti gassosi si formano lontano dalla loro stella per accrescimento di materiale (planetesimi) su un nocciolo. Poi, per interazioni gravitazionali estremamente complesse, migrano verso le regioni più interne della loro stella.

Molti sono i quesiti ancora da spiegare. Uno di questi è come avvengono i meccanismi di frenamento della migrazione. In assenza di tali meccanismi i pianeti continuerebbero ad avvicinarsi alla stella su orbite sempre più brevi fino ad essere investiti.

La seconda teoria, invece, detta instabilità di disco, è più veloce del processo appena descritto. Questa prevede che i pianeti si formino nella stessa posizione dove sono scoperti a causa di perturbazioni mareali causate da differenze di densità all’interno del disco proto-planetario stesso.

Queste perturbazioni innescano un processo di accrescimento di materia localizzato che porta direttamente alla formazione del gigante gassoso.

Metodi utilizzati e primi risultati

L’osservazione dei pianeti extrasolari pone sfide molto ardue agli astronomi e ai tecnici. Ciò che si vuole osservare, infatti, è un corpo piccolissimo rispetto alla stella attorno a cui orbita. Se immaginassimo di schiacciare il Sole, che ha un diametro di 1 392 000 chilometri, fino a farlo diventare un’arancia di 10 centimetri, in questa scala la Terra diventerebbe un granellino di sabbia di un millimetro di diametro posta ad una distanza di 10 metri dall’arancia-Sole.
La Luna diventerebbe ancor più insignificante della Terra; Giove sarebbe una pallina da calcetto di un centimetro di diametro posto a 50 metri di distanza dal Sole. Nettuno, l’ultimo pianeta del nostro Sistema Solare, avrebbe una dimensione di 3,2 millimetri a 300 metri di distanza dalla stella.
Quindi, cercare pianeti extrasolari attorno a una stella diversa dal Sole è come pensare di individuare un granellino di sabbia di fronte a un’arancia a migliaia di chilometri di distanza. I pianeti, infatti, sono piccoli, poco luminosi e riflettono la luce della loro stella. In più sono prospetticamente a lei vicini. Pensare di individuarli in modo diretto, ossia di fare una sorta di “fotografia” del sistema, nascondendo per esempio con una maschera la luce della stella, è possibile, ma è estremamente complicato.

Scoperta di due pianeti utilizzando una maschera o coronografo per coprire la stella e mettendo in "luce" tutto quello che le sta attorno: Qui, cerchiati in rosso, due pianeti scoperti dal Telescopio di 8 metri di diametro, il Gemini North. Crediti: Gemini Observatory/NRC/AURA/Christian Maros et al.

Scoperta di due pianeti utilizzando una maschera o coronografo per coprire la stella e mettendo in “luce” tutto quello che le sta attorno: Qui, cerchiati in rosso, due pianeti scoperti dal Telescopio di 8 metri di diametro, il Gemini North. Crediti: Gemini Observatory/NRC/AURA/Christian Maros et al.

La luce della stella viene “nascosta” da una maschera, o coronografo. In questo modo, è possibile, rilevare la presenza di oggetti attorno alla stella. Un po’ quella che succede quando si osserva l’eclisse di Sole: durante l’eclisse di Sole, la Luna copre il Sole. In questo modo, la luce della nostra stella viene nascosta ed è possibile osservare le stelle che, anche di giorno ci sono, ma sono invisibili a causa del fatto che la luce solare è molto più potente.
Ciò che lo rende difficile scoprire pianeti con questo metodo diretto sono le enormi distanze a cui si trovano le stelle dal Sole: la separazione stella-pianeta è così piccola che neppure i grandi telescopi professionali sono per ora in grado di risolvere il pianeta. Il pianeta è estremamente vicino alla stella, alle nostre distanze. Non è possibile distinguere il pianeta dalla stella perché i due corpi sono troppo vicini e noi, che viviamo sulla Terra, siamo troppo lontani per distinguerli come due punti. Vediamo solo la stella.

Di conseguenza, si cerca di individuare gli effetti che la presenza del pianeta causa sulla stella. Più in dettaglio, il rapporto tra la massa della stella e quella del pianeta è tipicamente dell’ordine di 1000 o più. Di conseguenza, le perturbazioni gravitazionali che il pianeta esercita sulla stella sono di piccola entità e quindi difficilmente rilevabili.

Rappresentazione artistica di un pianeta di tipo gioviano caldo con dei satelliti che gli ruotano attorno. In primo piano, la superficie di uno di questi. Crediti: NASA

Rappresentazione artistica di un pianeta di tipo gioviano caldo con dei satelliti che gli ruotano attorno. In primo piano, la superficie di uno di questi. Crediti: NASA

Malgrado ciò, numerosi sono i metodi che permettono di esplorare gli immediati dintorni di stelle simili al Sole (ossia, stelle di sequenza principale dei tipi spettrali F, G e K) alla ricerca di eventuali pianeti.
Quelli più utilizzati oggi e che hanno permesso di scoprire il maggior numero di pianeti extrasolari sono la tecnica delle e il metodo dei transiti.

La tecnica delle velocità radiali è estremamente interessante perché misura come varia la velocità della stella in presenza di uno o più pianeti. La velocità della stella lungo la linea di vista dell’osservatore non cambierebbe se la stella non avesse un pianeta che le orbita intorno. Invece, nel caso in cui un pianeta o più ruotano attorno alla stella, il pianeta perturba il moto della stella e questo si riflette sulla velocità della stella che si misura lungo la linea di osservazione. Sono variazioni di velocità piccolissime e quindi anche difficilmente misurabili.
Per comprendere la difficoltà della misura si pensi che Giove viene a modificare la velocità della stella di soli 12 metri al secondo, ovvero una velocità da centro urbano: 43 km orari.
Questo metodo, oltre a confermare la presenza di un pianeta attorno alla stella, permette di misurare i parametri orbitali, come per esempio il periodo e il limite inferiore della sua massa.

Il transito del pianeta WASP-10b davanti alla sua stella. Si osservi il calo di luminosità della stella indicato in basso in funzione del tempo. Crediti: ppt-http://www.phy.cuhk.edu.hk/sure/comments_2015/ckw_pre.pdf

Il del pianeta WASP-10b davanti alla sua stella. Si osservi il calo di luminosità della stella indicato in basso in funzione del tempo. Tratto dal documento: http://www.phy.cuhk.edu.hk/sure/comments_2015/ckw_pre.pdf

Il metodo dei transiti è un altro metodo indiretto che permette di scoprire un pianeta attorno a una stella lontana.

Questo metodo si basa sulla diminuzione di luminosità della stella nel caso in cui la stella, il pianeta e l’osservatore si trovino allineati nell’ordine scritto.
Questo evento non ha un’alta probabilità di avvenire. La diminuzione di luminosità della stella è dovuta al corpo opaco del pianeta che blocca la luce stellare. L’entità di questa diminuzione dipende dal quadrato dei raggi del pianeta e della stella. I transiti pertanto ci danno informazione importantissima: una volta noto il raggio della stella, possiamo conoscere quello del pianeta e nota la sua massa misurata con il metodo precedente possiamo valutare la densità del pianeta e sapere se questo corpo è ghiacciato, gassoso o roccioso.
I primi risultati trovati con queste due tecniche mostrano pianeti molto diversi da quelli del nostro Sistema Solare: qui, infatti, i pianeti rocciosi (da Mercurio a Marte) sono più interni, quelli gassosi (da Giove a Nettuno) sono più esterni.

I pianeti osservati in altri sistemi planetari mostrano anche pianeti giganti gassosi vicinissimi alla loro stella. Questo non significa che il nostro Sistema Solare sia unico, né che i pianeti siano in generale molto vicini alla loro stella. I risultati raccolti risentono di un effetto probabilistico: è più probabile trovare un pianeta vicino alla propria stella con la tecnica delle velocità radiali dato che l’effetto gravitazionale del pianeta è molto più forte tanto più il corpo è vicino alla stella, sulla base della legge di gravitazione universale (inverso del quadrato della distanza).
Allo stesso modo, da un punto di vista geometrico, è più probabile osservare il transito sul disco planetario tanto più vicino il pianeta si trova alla stella.

Continua

Sabrina

Per ulteriori informazioni: Altri Mondi- Uno, Nessuno Centomila Sistemi Solari 

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Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.

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