ASTRONOMIA NOVA S. Masiero, R. Claudi, Pianeta che trovi Pagina 20 n. 21/2015 METODO CHE USI, PIANETA CHE TROVI (prima parte) Sabrina Masiero e Riccardo Claudi [email protected] [email protected] Abstract Da sempre il genere umano si è chiesto se esistessero Humans have long wondered whether other planetary sistemi planetari attorno ai miliardi di stelle della nostra systems exist around the billions of stars in our Galaxy. Galassia. Solo una generazione fa l’idea di un pianeta A generation ago, the idea of a planet orbiting a distant orbitante attorno ad una stella lontana era ancora fanta- star was still in the realm of science fiction. But since scienza. Ma dalla scoperta del primo pianeta extrasolare the discovery of the first exoplanet orbiting a Sun-like attorno ad una stella di tipo solare nel 1995, di pianeti star in 1995, we have found thousands of them, with extrasolari ne abbiamo trovato a migliaia, e il loro nu- the discoveries coming at a faster rate over time. mero aumenta sempre di più col passare del tempo. Over the past few decades, researchers have developed Nel corso degli ultimi decenni i ricercatori hanno svilup- a variety of techniques to spot the many planets outside pato una serie di tecniche per individuarli, spesso utiliz- our Solar System, often used in combination to confirm zate combinandole fra loro per confermarne la scoperta the initial discovery and learn more about the planet's e per imparare di più sulle caratteristiche dei pianeti al characteristics. Here is an explanation of the direct di fuori del nostro Sistema Solare. Qui di seguito una methods used so far. spiegazione dei metodi diretti utilizzati finora. Introduzione FIG. 1: Questa viene considerata la prima immagine di un pianeta al di fuori del nostro Sistema Solare ottenuta nel Un pianeta extrasolare (o esopianeta) è un pianeta che 2005 dal Very Large Telescope dell'European Southern Ob- non appartiene al nostro Sistema Solare, ma orbita at- servatory - ESO. torno a una stella diversa dal Sole. 2M1207b è un pianeta con massa pari a cinque volte la mas- sa di Giove a una distanza due volte quella di Nettuno dal Sole e che ruota attorno alla sua stella compagna, la nana bruna 2M1207. Il sistema è stato studiato a lungo con osservazioni aggiun- tive, sempre al VLT, misurando il moto apparente della na- na bruna e determinandone in modo accurato la posizione relativa del pianeta. Le osservazioni hanno portato a con- fermare che tale oggetto non è una stella di fondo ma risulta legato gravitazionalmente alla stella, per il fatto che non vi è alcun cambiamento nella posizione relativa tra i due og- getti su una scala temporale di un anno (che rappresenta il periodo di osservazione). Solo su periodi di tempo molto più lunghi sarebbe possibile vedere i due oggetti in orbita l'uno attorno all'altra, data la grande distanza relativa. Il sistema planetario si trova a 230 anni-luce di distanza nella costellazione dell'Idra. L'immagine è stata ottenuta da tre esposizioni nel vicino infrarosso (nelle bande H, K e L) con il NACO montato al Telescopio Yepun di 8,2 metri di diametro al presso l'Osservatorio Paranal dell'ESO in Cile. Crediti: ESO. S. Masiero, R. Claudi, Pianeta che trovi ASTRONOMIA NOVA n. 21/2015 Pagina 21 FIG. 2: Una rappresentazione artistica di PLATO- Planetary Transits and Oscillations of Stars dell’ESA- Agenzia Spaziale Europea, il cui lancio è in program- ma per il 2024. Tale missione cercherà Terre e Super- Terre nella zona abitabile della loro stella, che rappre- senta la regione attorno alla stella dove l’acqua si tro- va allo stato liquido. CHEOPS-CHaracterising ExOPlanet Satellite il cui lan- cio è previsto per il 2017, è la prima missione dell’ESA dedicata alla ricerca di pianeti in transito davanti alla loro stella con fotometria di altissima precisione e la prima di una possibile classe di piccole missioni dell’ESA. CHEOPS farà un campionamento di un certo numero di stelle luminose vicine al Sole, già note per ospitare pianeti extrasolari, con lo scopo di caratteriz- zare meglio tali sistemi planetari. Anche TESS- Transiting Exoplanet Survey Telescope della NASA, in programma per il 2017, andrà a caccia di pianeti che transitano davanti alla stella, in circa un milione e mezzo di stelle della nostra Galassia. Il JWST-James Webb Space Telescope della NASA, il Perché è importante lo studio dei pianeti extrasolari? Vi cui lancio è previsto per il 2018, è un osservatorio orbi- è una duplice motivazione scientifica. Da una parte lo tante con molti programmi scientifici fra cui la possi- bilità di osservare spettroscopicamente i pianeti in studio dei pianeti extrasolari mette alla prova i modelli transito già noti, per analizzarne le nubi e le atmosfe- teorici di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari re. In particolare, il coronografo del JWST sarà in in un gran numero di sistemi extrasolari. Dall'altra, per- grado di attenuare l’alta luminosità proveniente dalla mette di quantificare la frequenza di pianeti con condi- stella intorno a cui orbita il pianeta, e osservarne lo zioni fisiche atte a sostenere la vita. Oltre alla motivazio- spettro in modo da stabilire o escludere l’esistenza di ne scientifica, vi è anche l'aspetto tecnologico: l'osserva- vita su quel dato esopianeta. Crediti: ESA. zione di pianeti extrasolari richiede un notevole sforzo di affinamento delle tecniche osservative in ambito a- Uno degli obiettivi è quello di vedere per via diretta i stronomico (imaging, coronografia, spettroscopia ad pianeti, non solo i pianeti giganti, inadatti alla vita, ma alta risoluzione, fotometria, interferometria, e altre an- anche quelli di taglia terrestre, e scoprire i segni cora). dell’esistenza della vita sulla loro superficie. Un modo potrebbe essere quello di riconoscere la presenza di ve- Fino al 1995, anno della scoperta del primo pianeta ex- getazione sulla loro superficie in linea di principio, da tra-solare attorno a una stella di tipo solare, non si co- un esame della luce che ci inviano. noscevano altri sistemi planetari al di là del nostro. Tale Siamo sicuri di una cosa. La ricerca di pianeti simili alla scoperta ha rivoluzionato la visione che si aveva di un nostra Terra, come dimensioni e come giusta distanza universo largamente formato da stelle. Nell’ultimo ven- dalla loro stella, con eventuali forme di vita come noi la tennio, infatti, sono stati fatti notevoli progressi tecnolo- conosciamo, è ancora estremamente lunga. Tale ricerca gici e la ricerca, lo studio e quindi la caratterizzazione è fortemente legata alla domanda, ancora senza rispo- dei pianeti extrasolari sono diventati uno degli obiettivi sta, se vi sono altre forme di vita nell’universo. Certa- principali in campo astronomico. mente, l’eventuale scoperta di altre forme di vita al di Numerose missioni spaziali, tra le quali Kepler della fuori della Terra provocherebbe un profondo sconvolgi- NASA iniziata nel 2009, e missioni già in orbita (come mento della nostra attitudine verso il mondo. GAIA dell’ESA) o le molteplici in programma nei prossi- Ciò che affascina e spinge in avanti la ricerca è sicura- mi anni tra cui CHEOPS e PLATO dell’ESA, TESS e mente la possibilità di trovare un pianeta simile alla no- JWST della NASA, potranno dare nuove risposte sulla stra Terra, alla giusta distanza dalla sua stella e con caratterizzazione dei sistemi planetari al di fuori del no- l’acqua sulla sua superficie, in grado di ospitare una stro. qualche forma di vita. ASTRONOMIA NOVA S. Masiero, R. Claudi, Pianeta che trovi Pagina 22 n. 21/2015 Inizialmente il ritmo delle scoperte dei pianeti extraso- ma Solare, tanto da richiedere un totale ripensamento lari è stato lento, ma negli ultimi anni ha conosciuto un dei modelli di formazione planetaria. grande aumento, passando dai 20 pianeti scoperti nel 2000 ai 189 nel 2011, fino ad arrivare a 850 nel 2014, Metodi per individuare i pianeti extrasolari come si vede nel grafico di figura 3. Individuare pianeti extrasolari è sicuramente un proces- Fino ad oggi 1921 pianeti extrasolari sono stati confer- so complesso. In primo luogo, la luminosità del pianeta mati (fonte: www.exoplanet.eu ) e oltre 4175 candidati extrasolare è molto più debole di quella della stella. Il pianeti, secondo le stime della NASA (http:// rapporto tra la luminosità della stella e quella del piane- exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/index.html ), la mag- ta nel visibile è in media dell’ordine di 109 (la stella è un gior parte dei quali sono stati individuati dalla missione miliardo di volte più brillante) mentre è dell’ordine di Kepler. Questi risultati hanno portato ad affermare che 104 (la stella è diecimila volte più brillante) la formazione di sistemi planetari risulta un fenomeno nell’infrarosso. Tale contrasto dipende dalle caratteristi- strettamente legato alla formazione delle stelle e che la che fisiche della stella e del pianeta e, naturalmente, presenza di pianeti extrasolari è un fatto comune dalla regione spettrale in cui vengono fatte le osservazio- nell’universo. Infatti, l’osservazione di una grande quan- ni. tità di sistemi planetari permette di iniziare a fare consi- In secondo luogo, la distanza tra stella e pianeta è molto derazioni di carattere statistico. I risultati più recenti minore rispetto alla distanza tra il sistema binario stella- portano ad affermare che quasi tutte le stelle ospitano pianeta e l’osservatore. La nostra tecnologia permette di pianeti. Abbiamo compreso, inoltre, come i modelli di osservare fino qualche centinaia di parsec (dove un par- formazione basati sull’osservazione del solo Sistema sec è pari a 206 265 unità astronomiche), mentre la di- Solare fossero quanto meno parziali: i sistemi scoperti stanza stella-pianeta extrasolare è dell’ordine al massi- hanno caratteristiche molto diverse da quelle del Siste- mo di qualche decina di unità astronomiche.