ESOPIANETI METODI DI SCOPERTA A CURA DI: Laura Morselli Chiara Verdirame

OUTLINE OF THE TALK Introduzione: Cosa sono gli esopianeti? I metodi di scoperta degli esopianeti Considerazioni generali sugli esopianeti scoperti Sistemi interessanti Missioni

Cosa sono? Gli esopianeti (E.P.) sono pianeti non appartenenti al Sistema Solare, orbitanti cioè attorno a una stella diversa dal Sole. Al 22.06.2011 ne sono stati individuati 562. Fino ad oggi, si conoscono soprattutto pianeti di tipo gigante gassoso, più semplici da rivelare rispetto a pianeti di tipo roccioso.

Metodi di scoperta degli E.P. Metodi dinamici Metodo della velocità radiale Astrometria Pulsar Timing Metodi fotometrici Transito Lensing gravitazionale Metodi di Imaging Tecniche alternative

Velocità Radiali Lo studio delle variazioni della velocità radiale di una stella, dovute al movimento attorno al centro di massa del sistema stella-pianeta rappresenta attualmente il sistema più efficace per la ricerca di E.P. Dallo spostamento Doppler delle righe di uno spettro di una stella si riesce a dedurre vr. E' possibile costruire la curva della velocità radiale vr di una stella avente massa M* , dovuta all'interazione gravitazionale con un oggetto di massa mp

Dall'andamento della vr possibile ricavare: il periodo orbitale l'eccentricità a · sini mp· sini Questo metodo favorisce la rivelazione di sistemi con pianeti massivi su orbite vicine alla stella, quindi per la terza legge di Keplero, con periodi brevi.

Astrometria Θ = (mp /M∗)( a/d) Il metodo consiste nel misurare lo spostamento di una stella sulla sfera celeste dovuto alla presenza di un Pianeta. Nel suo moto attorno al baricentro del sistema la stella percorre un’orbita che, proiettata sul piano perpendicolare alla linea di osservazione, risulta essere un’ellisse avente semiasse maggiore di dimensioni angolari Θ = (mp /M∗)( a/d) .

L’astrometria, a differenza del metodo della velocità radiale, può essere applicata anche a stelle in rapida rotazione e molto attive. Dalla combinazione dei due metodi (astrometria e velocità radiale), al 22/06/2011 sono stati individuati 512 esopianeti. http://exoplanet.eu/catalog.php

VB 10 LA STELLA IL PIANETA Distanza ≈ 6 pc Primo pianeta scoperto per astrometria. Teff ≈ 2700 K Non rivelato da 6 precedenti misure di velocità radiale. Classe spettrale M8 V Primo pianeta scoperto attorno ad una stella ultra-fredda. Età ≈ 1 Gyr M = 6.4 Msun Metallicità Solare P= 0.777 yr S.H.Pravdo et al, 2009, APJ

Pulsar Timing La presenza di un Pianeta attorno ad una Pulsar si traduce in una variazione dei tempi di arrivo degli impulsi emessi. Il movimento attorno al centro di massa della stella fa sì che i segnali presentino un piccolo ritardo nell’arrivo se la Pulsar si allontana dall’osservatore e un anticipo se la Pulsar si avvicina.

Questa variazione, dovuta al diverso cammino della luce, non è risolvibile senza un riferimento temporale stabile che è invece fornito dalla rotazione delle Millisecond Pulsar. Grazie alla stabilità intrinseca delle millisecond Pulsars e alla precisione delle misure si può apprezzare una variazione nella frequenza d’arrivo degli impulsi dell’ordine di ∆v /v ≈ 10 -11 che permette di rivelare Pianeti con M < MT.

Utilizzando questa proprietà, nel 1992 Wolszczan riuscì a rivelare la presenza di tre pianeti, di massa confrontabile con quella della Terra, orbitanti attorno alla pulsar PSR 1257+12. Il limite maggiore di questo metodo sta nel campione molto ristretto di Pulsars conosciute, infatti i pianeti individuati con questo metodo, al 22/6/2011, sono 13.

Metodi fotometrici Metodo del transito Il disco di una stella può essere parzialmente eclissato da un pianeta provocando una variazione temporanea della luminosità dell’astro. http://www.nasa.gov

Affinché possa avvenire un fenomeno di transito davanti al disco stellare è necessario un quasi allineamento dell’orbita con la direzione dell’osservatore. Attraverso questo metodo è possibile determinare: - il raggio del pianeta - il periodo di rivoluzione - l'inclinazione dell'orbita e ricavare lo spettro di assorbimento dell'eventuale atmosfera.

Il metodo è utilizzato nelle missioni: - COROT - KEPLER Con il metodo dei pianeti transitanti, al 22/06/2011, sono stati individuati 140 pianeti.

XO-5 0.025 0.05 ~ Osservazioni del 13 Marzo 2009 1616 XO-5 Osservazioni del 13 Marzo 2009 All’osservatorio di Loiano Flusso relativo 0.025 tempo (JD) In verde è indicato il minimo 22:36 UT In blu l’entrata 21:07 UT e l’uscita dal transito 00:14 UT 0.05 ~ 1 12’ h Flusso relativo 00:14 UT 21:07 UT 22:36 UT tempo (JD) 16 16

Lensing gravitazionale Nelle lenti gravitazionali la luce proveniente da un oggetto lontano è focalizzata da un corpo massivo interposto tra l’osservatore e la sorgente.

Microlensing Una tipica curva di luce di un evento di Microlensing: il difetto della lente, dovuto alla presenza di un oggetto orbitante come un pianeta, si traduce in un momentaneo ed ulteriore aumento della luminosità (il picco secondario).

Vantaggi: - E' possibile osservare sistemi planetari a distanze molto grandi, anche di qualche migliaia di parsec; - Rivela pianeti con semiassi maggiori grandi senza bisogno di lunghi tempi osservativi e con Mp < MT ; Limiti: Il metodo consente di ricavare soltanto una stima del rapporto delle masse del pianeta e della stella attorno a cui orbita; Gli eventi di lensing sono imprevedibili e non ripetibili. Attraverso questo metodo, al 22/06/2011 sono stati rivelati 13 pianeti.

Direct Imaging Il metodo di Imaging è il metodo più diretto di eseguire osservazioni; consiste nel cercare di rivelare il Pianeta come una sorgente puntiforme di luce riflessa.

2121 HR 8799 HR 8799 è una stella bianca visibile nella costellazione di Pegaso, Il 13/11/2008 sono stati scoperti 3 pianeti orbitanti attorno ad essa; Un quarto è stato scoperto nel 2010. Si tratta del primo sistema planetario scoperto grazie a direct imaging.

Coronografia Riduzione dell’intensità della parte centrale di un’immagine attraverso uno specchio e una maschera tra lo specchio principale del telescopio e il piano dell’immagine; il coronografo attenua la luce della stella di un fattore 100.

A causa delle diverse temperature di Sole (6000 K) e Giove (165 K) esiste una zona nello spettro di emissione di corpo nero che favorisce di un fattore 105 il rapporto Lp/L*: questa zona cade nell’infrarosso a λ ∼ 20 µm. Risulta perciò molto conveniente lavorare a queste lunghezze d’onda usando tecniche interferometriche dallo spazio.

Tecniche alternative - Tracce su dischi di polvere A differenza degli E.P. ad oggi è abbastanza semplice osservare dischi protoplanetari: la loro emissione IR è sufficiente affinché sia possibile la loro rivelazione anche con tecniche di Imaging. La possibilità di risolvere strutture all’interno di dischi di polveri attorno a stelle può essere sfruttata per la ricerca di E.P.

La presenza di un pianeta all'interno del disco può indurre una particolare configurazione, dipendente dal tempo, delle particelle del disco.

- Emissione Radio da Pianeti Extrasolari Giove ha un’intensa emissione di radiazione alla lunghezza d’onda di qualche decina di metri (Radiazione Decametrica), dovuta all’interazione magnetica con il satellite Io. Si pensa che E.P. di tipo gioviano possano essere rivelati osservando nel radio una simile emissione di radiazione. Questo metodo può portare a una scoperta solo se il pianeta irraggia con notevole intensità.

- Emissione di Onde Gravitazionali Riportiamo la proposta che pianeti giganti orbitanti vicino alla loro stella possano emettere Onde Gravitazionali di ampiezza sufficiente per essere osservate. Sebbene questo effetto non possa essere considerato un metodo per la scoperta di Pianeti Extrasolari rimane di grande interesse per l'astrofisica gravitazionale.

Alcune considerazioni sugli EP scoperti… La maggior parte dei sistemi planetari extrasolari, in base a quanto è stato possibile osservare fino ad oggi, non assomiglia al nostro, caratterizzato da: Orbite circolari Distinzione tra pianeti interni, rocciosi e di piccole dimensioni e quelli esterni, gassosi e giganti. Circa il 10% delle stelle di tipo solare ha esopianeti. Circa la metà degli EP scoperti ha e >0.1 Range di massa (0.002-13) MJ , se M>13 MJ Nane Brune Circa il 40% degli EP dista dalla stella meno di Mercurio dal Sole

Sottolineiamo che… …le tipologie dei pianeti scoperti dipendono molto dalle limitazioni dei metodi usati. Non si esclude l’esistenza di altri tipi di esopianeti che ad oggi non siamo in grado di osservare con gli strumenti a disposizione.

Sistemi interessanti

51 Pegasi b Primo E.P. scoperto con il metodo della velocità radiale, nel 1995, utilizzando spettrografi ad alta risoluzione. Periodo orbitale: 4.23 giorni M: 0.5 MJ a: 0.052 AU Orbita circolare, e=0 Vr=13 m/s Posizione di 51 Pegasi nella costellazione di Pegaso. CARATTERISTICHE DELLA STELLA Nana gialla, tipo spettrale G2-V Raggio medio: 1.15 - 1.4 Rsolare Massa: 1.04 Msole Luminosità: 1.30 Lsole Temperatura superficiale: 5665 K Metallicità: 1.6 quella del Sole Età stimata: 7.5 miliardi di anni

HD 209458 Tipo spettrale G0-V Raggio medio: 1.8 Rsolare Massa: 1.1 Msolare Luminosità: 1.61 volte quello del Sole Temperatura superficiale: 6000 K Metallicità: 1.09 quella del Sole Età stimata: 4.7 x 109 anni Posizione di HD 209458 nella costellazione di Pegaso. Variazione di velocità radiale e di luminosità della stella

HD 209458 b È il primo pianeta scoperto con il metodo del transito. È un gigante gassoso (T≈ 1000K) che ruota a 0.047 UA dalla stella. L'eccessiva vicinanza alla stella espone l’atmosfera alla forza del vento stellare, generando in direzione opposta una lunga coda di gas. Nell’aprile 2007 fu avanzata l'ipotesi che nell'atmosfera del pianeta potessero essere presenti tracce di vapore acqueo, ipotesi poi confermata dai dati osservativi nella seconda metà del 2009. Periodo = 3.524738 d Massa = 0.69 ±0.05 MJ Raggio = 1.35 ±0.04 RJ Densità = 0.35 ±0.05 g/cm3

55 Cancri Sistema binario attorno a cui orbitano 5 pianeti. M/MJ P(d) a (AU) e 0.034 2.817 0.038 b 0.824 14.65 0.115 c 0.169 44.3 0.24 f 0.144 260 0.78 d 3.835 5218 5.77 Il Sistema Solare confrontato con quello di 55 Cancri A. CARATTERISTICHE STELLA Tipo spettrale G8-V Raggio medio: circa 1 Rsolare Massa: 0.95 ± 0.1 Msolare Luminosità: 0.63 Lsole Temperatura superficiale: 5250 K Età stimata: 4.5 x 109 anni

HD 10180 Stella di tipo solare, a 128 a.l. dalla Terra, attorno alla quale ruota un sistema planetario di 7 componenti. EP a sini (AU) P(d) m sini(mT) b 0.022 1.178 1.35 c 0.064 5.760 13.10 d 0.129 16.358 11.75 e 0.270 49.75 25.1 f 0.493 122.76 23.9 g 1.422 601.2 21.4 h 3.40 2222 64.4

Gliese 581 Sistema planetario di 6 pianeti, due dei quali all’interno della fascia abitabile. M/MJ P(d) a(AU) e 0.006 3.14942 0.03 b 0.049 5.3683 0.041 c 0.0158 12.932 0.073 d 0.0243 83.6 0.25 CARATTERISTICHE DELLA STELLA Nana rossa, M 3 Luminosità: 0.13 Lsole Massa: 0.31 Msole Temperatura superficiale: 3480 K Età stimata: 4.3 miliardi di anni

Gliese 581 I pianeti del sistema Gliese 581 sono stati scoperti grazie allo spettrografo HARPS, uno degli strumenti più precisi nell’effettuare misure spettroscopiche. Installato al telescopio dell’ESO a La Silla in Cile raggiunge una precisione nella misurazione della velocità radiale dell’ordine di 1 m/s.

OGLE-06-109L Primo esempio di sistema simile al sistema solare, scoperto via microlensing nel 2008. CARATTERISTICHE DELLA STELLA nana rossa Massa: 0,5 Msolari. CARATTERISTICHE DEI PIANETI 2 pianeti giganti: M/MJ a /AU b 0,71 2,3 c 0,27 4,6 Confronto tra il Sistema Solare e OGLE-06-109L

KEPLER 11 Il 2-2-2011 il Telescopio Kepler annuncia la scoperta di un sistema planetario di 6 componenti attorno alla stella Kepler 11, che dista dalla Terra circa 2000 anni luce. Jack Lissauer, uno dei responsabili della missione Kepler, commenta così la scoperta: “Il sistema planetario Kepler 11 è incredibile. È incredibilmente compatto, incredibilmente piatto, c’è un incredibile numero di pianeti giganti che orbitano vicino alla stella. Non sapevamo nemmeno che un tale sistema potesse esistere.” Caratteristiche di Kepler 11 R =1,1 ± 0,1 R⊙ M = 0,95 ± 0,1 M⊙ T = 5680 ± 100 K [Fe/H] = ± 0,1 Età stimata = 8 ± 2 × 109 anni

Proprietà dei pianeti EP Periodo(d) Massa (MJ) b 10.3 0.014 c 13.0 0.042 d 22.7 0.019 e 32.0 0.026 f 46.7 0.007 g 118.4 <0.95

Missioni

Missione Kepler (NASA) Determinare abbondanza di pianeti terrestri e giganti all’interno della zona abitabile; Determinare la distribuzione e le dimensioni delle orbite degli esopianeti scoperti; Identificare le componenti di sistemi planetari e determinare le proprietà delle stelle che li ospitano. Immagine da www.nasa.gov

Caratteristiche di Kepler Per rivelare la presenza di nuovi pianeti, Kepler utilizza il metodo dei transiti; È costituito da un telescopio di 0.95 m di diametro; Durata prevista della missione: 3.5 anni; Lanciato il 7.3.2009 Aspettative In base al numero e alla tipologia dei pianeti scoperti si potrà risalire all’abbondanza di tali pianeti all’interno della Via Lattea; Capire la distribuzione delle orbite dei pianeti; Determinare le caratteristiche dei sistemi planetari; …. e in ultimo…. Trovare un pianeta molto simile alla Terra in cui si sia sviluppata la vita?? Risultati fino ad ora ottenuti: 1235 candidati , 16 EP confermati

Convection Rotation and planetary Transit COROT (ESA) Obiettivi: Scoprire nuovi esopianeti, anche rocciosi, sia di grandi che di piccole dimensioni, tramite il metodo del transito; Studiare gli interni stellari ed, in particolare, i fenomeni di astrosismologia. Lanciato il 27.12.2006. La missione, che inizialmente doveva durare 3 anni, è stata prolungata fino al 2013. È posizionato su un’orbita circolare polare a 896 Km dalla superficie terrestre.

GAIA (ESA) Obiettivi Investigare le origini e l’evoluzione della Via Lattea, determinando accuratissime coordinate di milioni di stelle, in modo da costruire la più completa mappa 3D degli oggetti celesti della Galassia. Scoprire nuovi esopianeti. Lancio previsto per il 2013. Durata prevista della missione: 5 anni (2018). Rappresentazione di GAIA in orbita (www.sci.esa.int)