Oltre il Sistema Solare: Alla scoperta dei pianeti extrasolari Extrasolari Live! Project 27 febbraio 2008 Powerpoint a cura di G. Masi

In alcuni mondi non ci sono né Sole né Luna, in altri essi sono più grandi che nel nostro, in altri più numerosi. [..] Vi sono alcuni mondi privi di creature viventi o piante e di qualsiasi umidità. Democrito ~ a. C.

Vi sono infiniti mondi, sia simili che differenti dal nostro. Poiché gli atomi sono infiniti in numero […], non vi è ostacolo allesistenza di infiniti mondi. Epicuro a. C.

Non possono esserci altri mondi oltre al nostro. Aristotele a. C.

[…] Il solo infinito è perfetto e di esso nulla può essere più importante e migliore, il Dio come sola natura intera e universale. Universo è sinonimo di verità, unità e bontà; per questo l'infinito viene chiamato universo. Dio è glorificato non in uno ma in innumerevoli Soli, non in un'unica Terra, ma in un'infinità di mondi. Giordano Bruno

Nel 1952, Otto Struve (1897 – 1963) accenna allosservabilità dei pianeti extrasolari, immaginando sia il fenomeno dei transiti che losservazione delle velocità radiali.

Fenomeno dei Transiti Velocità Radiali Previsioni di Otto Struve (The Observatory, 72, (1952)

Peter Van de Kamp ( ) Pioniere nella ricerca dei pianeti extrasolari, nel 1963 ipotizzò che attorno alla Stella di Barnard si muovesse un pianeta gigante, a spiegarne il movimento oscillante.

Al di là di ovvie ragioni statistiche, lesistenza di altri sistemi planetari è supportata dalla consapevolezza dei meccanismi di formazione degli stessi e dallosservazione, intorno ad altri soli, di dischi circumstellari, come nel caso notevole di Beta Pictoris, scoperto circa 20 anni fa.

Non possono perciò esservi dubbi circa lesistenza di pianeti attorno ad altre stelle. Si deve però sottolineare che essi NON sono oggetti facili da osservare!

La ricerca di pianeti extrasolari ha lambizioso obiettivo di contribuire alla conoscenza dei meccanismi di formazione di un sistema planetario (compreso il nostro…) e di chiarire aspetti fondamentali circa la presenza di vita delluniverso. Perché cercarli? Uno scenario affascinante, ma incredibilmente complesso, che ha portato allo sviluppo di nuove discipline, come lesobiologia. In questo, i numeri sono importanti, al fine di consentire un approccio statistico valido: occorrono molti sistemi! Forse queste ricerche un giorno aiuteranno a comprendere pienamente cosè la vita!

Evidentemente, scorgere un pianeta extrasolare rappresenta di per sé una sfida per varie ragioni, tra cui alcune ovvie. - Si tratta di corpi di dimensione/massa modesta (~ <10 Mj); - Sono immersi nel bagliore della loro stella ospite; - la distanza di tali sistemi certamente non aiuta. Gli astronomi debbono perciò accontentarsi di stanarli mediante effetti collaterali indotti dalla loro presenza. Evidentemente, la necessità aguzza lingegno… e in meno di 15 anni sono stati scoperti oltre 270 pianeti extrasolari! Tra il dire e il fare…

Sorprendentemente, pur trattandosi di una delle frontiere della moderna astrofisica, la ricerca dei pianeti extrasolari offre concrete possibilità agli astronomi non professionisti, disposti a cimentarsi con osservazioni indubbiamente delicate, ma generose quanto a ritorno scientifico e soddisfazione. Prova ne è il coinvolgimento di osservatori dotati di strumenti di taglia amatoriale nella scoperta di alcuni di questi oggetti, anche dallItalia (come è proprio il caso di XO-2b!). Mai dire mai… Questo perché nella ricerca di tali oggetti possono impiegarsi tecniche diverse, alcune accessibili anche ai non professionisti.

Poiché losservazione diretta di un pianeta extrasolare è, al momento, una straordinaria sfida tecnologica (vi sono pochissimi candidati a pianeta osservati tramite imaging), sono state sviluppate diverse tecniche indirette, capaci di evidenziare la presenza di corpi di taglia planetaria attorno a stelle simili al Sole (classi spettrali F, G, K). Tre di esse appaiono particolarmente efficaci: 1) Studio della velocità radiale; 2) Osservazione del transito del pianeta; 3) Osservazione di eventi di microlente gravitazionale. Come trovarli? La prima tecnica è spettroscopica, richiedendo la scomposizione della luce della stella studiata; le altre due sono di tipo fotometrico, richiedendo lo studio della curva di luce della stella selezionata.

Studiando la velocità radiale di una stella, si possono evidenziare oscillazioni periodiche dovute alla presenza di un ulteriore corpo. Lentità delloscillazione dipende naturalmente dalle caratteristiche dellorbita, compresa la sua inclinazione rispetto alla visuale dellosservatore, e dal rapporto di massa tra i due corpi (assumendo il caso più semplice di una coppia). Queste osservazioni sfruttano losservazione spettroscopia delleffetto Doppler. A titolo di esempio, Giove induce sul Sole un effetto quantificabile in 12 m/s. Metodo delle velocità radiali

La prima stella attorno alla quale è stato scoperto un pianeta extrasolare proprio con questa tecnica, è la 51 Pegasi, simile al Sole RpRp 0.05 UA P4.2 giorni MPMP M Jup e0

Con gli strumenti attuali possiamo osservare velocità radiali dovute a pianeti extrasolari intorno ai 3 m/s: non è un metodo vocato alla individuazione di pianeti di massa terrestre. Le stime di massa ottenute sono solo dei limiti inferiori (per via dellindeterminazione nellinclinazione dellorbita). E possibile scoprire pianeti di taglia gioviana non lontano dalla loro stella ospite. Metodo delle velocità radiali: limiti

Se la disposizione dellorbita di un pianeta è tale che esso, visto dalla Terra, transita periodicamente dinanzi alla sua stella è possibile – in linea di principio – osservarlo per via fotometrica come una microscopica eclissi. Analogia con il transito di Venere! Metodo dei transiti Questa tecnica è dunque caratterizzata da forti vincoli orbitali: eventi rari.

Metodo dei transiti Simulazione di un transito di pianeta extrasolare. Le caratteristiche della curva di luce dipendono da quelle del pianeta. Se il pianeta è stato osservato anche spettroscopicamente, è possibile ottenere notevoli informazioni fisiche, tra cui la densità!

Metodo dei transiti: pro e contro. La dimensione del pianeta rispetto alla sua stella determina la profondità del transito e dunque la sua accessibilità fotometrica. Il transito di un pianeta di taglia gioviana produrrebbe sul Sole una caduta di luce pari all1%, rilevabile agevolmente anche con strumentazione non professionale! E possibile evidenziare pianeti anche a notevole distanza dalla loro stella (ma tale distanza rende ancora meno probabile il transito stesso!). I pianeti più piccoli (Terra…) producono cadute di luce dellordine del 0.01%, del tutto inaccessibili ai telescopi installati al suolo.

Metodo delle microlenti gravitazionali. Si tratta di un fenomeno davvero suggestivo, previsto dalla teoria della Relatività Generale: il campo gravitazionale incurva la traiettoria dei fotoni, funzionando in effetti come una lente! Se tra una certa stella e losservatore è collocato un corpo massivo, la luce della stella subisce leffetto di lente gravitazionale da parte questultimo. Se esso ha massa stellare, limmagine della stella lontana non viene sdoppiata. Se poi la stella è in movimento, allora si assiste ad una vera e propria evoluzione fotometrica (curva di luce) del tutto prevedibile teoricamente a partire dalla geometria dellevento. Solitamente si registrano picchi di luminosità, tanto più pronunciati quanto più stretto è lallineamento tra la stella di fondo e la lente interposta. Tuttavia, possono verificarsi delle anomalie dovute alla presenza di pianeti intorno alla lente.

Metodo delle microlenti gravitazionali: pro e contro Questo metodo è sensibile a pianeti di massa terrestre. Le ricerche vengono concentrate in direzione del bulge galattico, ossia in regioni ad elevata densità stellare, per massimizzare la probabilità di un tale evento. Gli eventi di microlensing sono, per loro stessa natura, irripetibili!

Quadro dinsieme Ad oggi (22 gennaio 2008), sono noti 271 pianeti extrasolari. Tra questi, figurano 25 sistemi multipli. I pianeti osservati con il metodo della velocità radiale sono 257. Quelli osservati tramite transito sono 35. Le scoperte mediante microlensing sono 4. Il pianeta dalla massa più grande conosciuta con buona confidenza è XO-3b (transitante!), ed è pari a volte quella di Giove: alla sua scoperta hanno contribuito anche gli italiani G. Masi e F. Mallia. Il pianeta dalla massa più piccola è Gl 581c, con un valore pari a masse gioviane.

Quadro dinsieme Si nota la schiacciante maggioranza di corpi a breve distanza dalla propria stella: effetti di selezione delle tecniche osservative. Distribuzione in funzione del semiasse maggiore dellorbita.

Quadro dinsieme Dominano, ovviamente, i pianeti a breve periodo orbitale. Distribuzione in funzione del periodo orbitale

Quadro dinsieme Distribuzione in funzione delleccentricità orbitale Distribuzione in funzione della massa minima

Conclusioni. La popolazione oggi nota di pianeti extrasolari è largamente dominata da pianeti di grande massa, collocati a breve distanza dalla loro stella. Questo dipende fortemente dai limiti delle tecniche impiegate. Grazie al progresso delle tecniche e al promettente avvio di missioni spaziali dedicate, saremo in grado di individuare mondi di taglia terrestre, collocati nella cosiddetta fascia di abitabilità (come Gliese 581c ), ove la temperatura è tale da consentire la presenza di acqua allo stato liquido. Mondi potenzialmente favorevoli alla vita, che consentiranno, si spera, di dare risposta alle grandi domande della scienza.