Agli estremi confini della scienza: I pianeti extrasolari

Agli estremi confini della scienza: I pianeti extrasolari
Anna Cinzia Marra

Formazione del Sistema Solare
Lecce, 17 marzo 2005

Un po’ di storia V-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, Epicuro
Giordano Bruno ( ) 1926: Amazing stories, nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard Lecce, 17 marzo 2005

Astrometria Lecce, 17 marzo 2005

Giordano Bruno ( ) 1926: Amazing stories, nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei pianeti extrasolari Lecce, 17 marzo 2005

Otto Struve VELOCITA' RADIALI TRANSITI
Previsioni sull'osservabilità dei pianeti extrasolari The Observatory, 72, (1952) TRANSITI Lecce, 17 marzo 2005

Giordano Bruno ( ) 1926: Amazing stories, nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei pianeti extrasolari 1992: Wolszczan & Frail: pianeti di tipo terrestre in orbita intorno alla pulsar PSR 1995: Mayor & Queloz (Osservatorio di Ginevra): pianeta di tipo gioviano intorno alla stella 51Pegasi Lecce, 17 marzo 2005

Definizione di pianeta
Che cosa fa di un oggetto celeste un pianeta? Massa: compresa tra la massa di Plutone e 10 MJup Formazione: per accumulazione di particelle in un disco di polvere e non per condensazione da nubi gassose, come le stelle Tipo: terrestre o gioviano Lecce, 17 marzo 2005

I dischi circumstellari
Fin dal 1984 si sa che Beta Pictoris, una stella poco più calda del Sole e distante 50 anni luce, è circondata da un disco di polvere. Lecce, 17 marzo 2005

Tecniche di rivelazione

Ritardo temporale delle Pulsar
Le pulsar sono stelle collassate che ruotano su se stesse in modo estremamente veloce, anche più volte al secondo, emettendo, come fari cosmici, fasci di onde radio molto collimati e a intervalli di tempo straordinariamente precisi, lungo i loro assi magnetici. Lecce, 17 marzo 2005

PSR 98.22 0.47 2.8 66.54 0.36 3.4 25.34 0.19 0.015 Periodo orbitale (giorni) Distanza (UA) Massa (MT) Successivamente si è scoperto che anche intorno alla pulsar PSR B orbiterebbe un pianeta. Lecce, 17 marzo 2005

Ostacoli all’osservazione diretta
L’osservazione diretta è l’unico modo per cercare di determinare la composizione di un pianeta Ma tutti i pianeti extrasolari noti sono impossibili da vedere con le tecniche attualmente a nostra disposizione (neppure l’Hubble è in grado di vederli!) Ci sono due motivi: I pianeti noti hanno orbite molto vicine alla stella La maggior parte hanno orbite più piccole di quella di Mercurio! La separazione angolare tra il Sole e Giove sarebbe di appena 1 arcsec già a 5 pc! I pianeti noti sono troppo deboli Giove, per esempio, è più di un miliardo di volte meno luminoso del Sole TMR-1C nel Toro Lecce, 17 marzo 2005

Effetto Doppler Lecce, 17 marzo 2005

Misure di velocità radiali

Limitazioni La massa che si può calcolare è la minima massa di un pianeta necessaria per creare lo shift osservato, che coincide con la massa effettiva solo se il piano dell’orbita è perpendicolare al piano del cielo. L’effetto di Giove sul Sole è di 12.5 m/s, mentre quello della Terra è di 0.1 m/s. Con gli attuali strumenti, possiamo misurare velocità di 3 (o al meglio 1) m/s. Tale limite rende estremamente difficile individuare, con questo metodo, pianeti di tipo terrestre. Finora con questo metodo sono stati individuati più di 120 pianeti di tipo gioviano. Lecce, 17 marzo 2005

51 Pegasi Il primo pianeta extrasolare in orbita intorno ad una stella “normale” è stato scoperto da Mayor & Queloz nel 1995 intorno alla stella 51 Pegasi. Rp 0.05 UA P 4.2 giorni MP MJup e 51 Pegasi Questa stella è una G5V, con proprietà simili al nostro Sole. Lecce, 17 marzo 2005

Transiti Nel caso (raro) in cui l’orbita del pianeta passi davanti al disco della stella, potrebbe verificarsi un’eclisse, registrabile come una piccolissima variazione di luce. Lecce, 17 marzo 2005

Transiti Il transito di un pianeta, già scoperto intorno alla stella HD con il metodo delle velocità radiali, è stato poi osservato nel 1999 all’istante previsto. Lecce, 17 marzo 2005

Transiti Vantaggi Transito di un pianeta come Giove: L=1% (telescopio di 1 m) Pianeti a grande distanza dalla stella (al contrario del metodo delle velocità radiali) Svantaggi Transito di un pianeta come la Terra: L=0.01% (nessun telescopio) Se aumenta la distanza stella-pianeta, ci sono meno probabilità di osservare l’allineamento utile Lecce, 17 marzo 2005

Microlensing Gravitazionale
Idea di base: una stella che passa davanti ad una stella più distante agisce da lente nei confronti della stella lontana. Albert Einstein aveva previsto questo effetto nella sua teoria della relatività generale: il campo gravitazionale della stella in primo piano piega e focalizza la luce, proprio come farebbe una lente di vetro ricurva. Lecce, 17 marzo 2005

Un pianeta che orbita intorno alla stella lente lascerà una traccia caratteristica nel profilo di luminosità della stella. Con questo metodo è possibile rivelare la presenza di pianeti moderatamente massicci (poco più della Terra) in sistemi molto lontani (distanze dell’ordine di 10 kpc) Microlensing1 Lecce, 17 marzo 2005

Recentemente è stato scoperto il primo pianeta utilizzando questa tecnica, grazie ad una cooperazione tra due team di ricerca internazionali: Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) e Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE). I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati in Astrophysical Journal Letters di Maggio 2004. Il pianeta orbiterebbe a 3 UA da una stella della costellazione del Sagittario a anni luce di distanza da noi e avrebbe una massa pari a 1.5 MJup. Il sistema stella-pianeta fa da lente ad una stella a anni luce di distanza, vicino al centro della Via Lattea. Microlensing Microlensing3 Lecce, 17 marzo 2005

Il primo possibile pianeta terrestre

Una visione d’insieme 2005 2000 Lecce, 17 marzo 2005

Alcuni numeri … 136 pianeti scoperti o confermati con le misurazioni delle velocità radiali 1 sistema con 4 pianeti, 2 con 3 pianeti, 13 con 2 pianeti, 99 pianeti singoli ma in molti sistemi le misurazioni sembrano indicare la presenza di altri pianeti di lungo periodo 7 pianeti che occultano la propria stella 1 pianeta direttamente osservato 2M1207 b (?) Il pianeta più piccolo ha una massa di 14 MT, il più grande ha una massa di circa 13 MJup (4120 MT) I periodi orbitali vanno da circa 1.3 giorni a oltre 10 anni 14 stelle binarie ospitano pianeti: 1 sistema con 3 pianeti ( Andromedae) e 1 con 4 pianeti (55 Cnc) Esiste 1 pianeta che orbita attorno alle sue due stelle. Up to day are known over one hundred thirty planets out of the solar system, all of these planets was discovered using high precision radial velocities measurements. Lecce, 17 marzo 2005

Caratteristiche generali

Terra Giove Lecce, 17 marzo 2005

I pianeti extrasolari, al contrario di quelli del Sistema Solare, sono in orbite tipicamente eccentriche. Lecce, 17 marzo 2005

Un sistema di pianeti giganti
Gli astronomi Marcy e Butler hanno individuato nel 1999 il primo sistema multiplo: un sistema di tre pianeti di tipo gioviano in orbita intorno alla stella Upsilon Andromedae. Pianeti di tipo gioviano su orbite molto vicine alla stella non sono compatibili con il modello di formazione del nucleo per accumulazione di planetesimi! MODELLO STANDARD IN CRISI Lecce, 17 marzo 2005

Problemi aperti La maggior parte dei pianeti finora scoperti hanno masse grandi e orbite molto strette - Come può un pianeta gioviano formarsi così vicino alla sua stella? - Questi pianeti migrano all’interno dal sistema ad un certo punto della loro vita? Lecce, 17 marzo 2005

Osservazioni future Osservazioni dirette nel vicino infrarosso (NGST, VLT Planet Finder, OWL) Misurazioni astrometriche (VLTI) Nulling interferometry (Darwin, TPF) Rilevazioni coronografiche (TPFC) Campagne di ricerca di transiti (Kepler, Corot) Scoperta di pianeti terrestri (rocciosi) Statistica sull’abbondanza di pianeti nella Galassia Ricerca di vita su altri pianeti Lecce, 17 marzo 2005

Conclusione “L'astronomia ha subito tre grandi rivoluzioni negli scorsi quattrocento anni. La prima fu quella copernicana, che spostò la Terra dal centro del sistema solare e la collocò a 150 milioni di chilometri da esso; la seconda avvenne tra il 1920 e il 1930 quando, in seguito al lavoro di Harlow Shapley e R. J. Trumpler, ci accorgemmo che il sistema solare non è al centro della via Lattea, ma a circa anni-luce da questo, in un braccio a spirale relativamente poco definito; la terza rivoluzione sta avvenendo ora e, lo vogliamo o no, dobbiamo prendervi parte. E' questa la rivoluzione racchiusa nella domanda: siamo soli nell'Universo?“ (Otto Struve) Lecce, 17 marzo 2005

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