Osservare Pianeti di Altre Stelle

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1 Osservare Pianeti di Altre Stelle Tecniche, Ricerche e Risultati Attuali, Prospettive Future Massimo Teodorani, Ph.D. Astrofisico, professore incaricato di Fisica

2 INDICE DELLA PRESENTAZIONE Nascita e morte dei pianeti nell Universo Principali caratteristiche degli exopianeti scoperti fino ad oggi Limiti alla rivelabilità di un exopianeta Bilancia orbitale Tecniche principali utilizzate per la rivelazione di exopianeti Fascia di abitabilità e Progetto SETI

3 Hubble Space Telescope I PROTAGONISTI DELL IMPRESA Kepler Spitzer Corot VLT

4 IL FUTURO DELLA RICERCA : TMT Observatory (Telescopio 30 m) (USA)

5 Dall Utero Cosmico all Embrione M > M J.. e da esso alla NeoStella

6 Innesco Collasso da Fronti d Urto Formazione Stellare e Planetaria per Frammentazione Gerarchica Crescita di Disomogeneità e Trasferimento di Momento Angolare FORMAZIONE PIANETA = 200 Milioni di Anni

7 t Evoluzione Temporale di un Disco Protostellare Coronografia Spettroscopia 1 2 Teodorani et al / r T

8 Simulazioni Numeriche: La Nascita Chochol & Teodorani, 1998

9 La Fine Destino Finale di Pianeti che ruotano attorno a Stelle di Tipo G alla fine della loro evoluzione Inghiottiti dal loro Sole quando diventa una Gigante Rossa

10 I PIANETI DELLA NOSTRA STELLA LI CONOSCIAMO BENE CHE COSA SAPPIAMO DI QUELLI DI ALTRE STELLE?

11 PIANETI EXTRASOLARI QUANTI I PIANETI NELL INTERO UNIVERSO? QUANTI QUELLI SCOPERTI FINO AD OGGI? 492 Sono Nane Brune se M M G Sono Pianeti se M < 10 M G

12 La maggior parte dei pianeti scoperti fino ad oggi ha masse uguali o maggiori di quella di Giove

13 Dimensione Exopianeti scoperti dal 1984 al

14 La Bilancia Orbitale PIANETA Nel caso di 2 corpi aventi la stessa massa, il Centro di Massa si trova esattamente in mezzo. Centro di Massa Nel caso di 2 corpi di cui uno è molto più massiccio dell altro, il Centro di Massa si trova molto vicino a quello più massiccio. STELLA

15 Centro di Massa M * a 1 a 2 M P a P 3 2 G M M 2 4 P F G M a 2 M P

16 1 - Contrasto di Luminosità tra Stella e Pianeta LIMITI NELLA RILEVAZIONE DIRETTA DEI PIANETI EXTRASOLARI L S = 3.90 x W L T L S L G 6 x L S Come osservare una torcia da 1000 Watt accanto ad una Lucciola

17 LIMITI NELLA RILEVAZIONE DIRETTA DEI PIANETI EXTRASOLARI 2 - Distanza Angolare tra Stella e Pianeta d = 100 Anni Luce r = 1 UA Potere Risolvente del Telescopio : Per risolvere 0.03 ci vuole un Telescopio con D = 4 m di Apertura Fattibile,. MA. L Atmosfera Terrestre limita la Risoluzione a 0.5 Problema del SEEING

18 Osservazione di Moti Stellari dovuti alla presenza di un Pianeta Extrasolareee Orbita della Stella attorno a Centro di Massa Indotta dal Pianeta Spostamento Astrometrico Spostamento Doppler

19 COME FUNZIONA LA CACCIA AI PIANETI EXTRASOLARI METODI INDIRETTI Spettroscopia Ottica : Effetti Gravitazionali su Orbita Stellare I Astrometria : Effetti Gravitazionali su Orbita Stellare II Effetto Doppler di Pulsar : Effetti Gravitazionali su Orbita Pulsar Fotometria Ottica I : Transito e Occultazione Fotometria Ottica II : Microlenti Gravitazionali METODI DIRETTI Interferometria da Terra e dallo Spazio : Immagine Diretta Spettroscopia Ottica di Atmosfere Planetarie : Spettroscopia Diretta Coronografia da Terra e dallo Spazio : Eclisse Artificiale

20 Spettroscopia Ottica : Moto Stellare Riflesso I Valido SOLO Per Tipi Spettrali: F, G, K, M Orbita vista di taglio STELLA PIANETA Orbita vista dall alto Minima Velocità Rivelabile : V R 1 m/sec Corrispondente ad una massa minima rivelabile di 5-10 M T per un pianeta ad 1 UA da una stella di 1 massa solare

21 Spettro a Riposo STELLA DISTANTE PIANETA INVISIBILE Spettro spostato verso il Rosso Spostamento verso il Blu Spettro spostato verso il Blu Spostamento verso il Rosso m/sec

22 Per poter rilevare variazioni di Velocità con una Precisione di almeno V R = 1 m/sec occorre che: Volte più elevata di quella ottenibile con l Alta Risoluzione per osservazioni stellari Volte piu elevata di quella ottenibile con la Bassa Risoluzione per osservazioni extragalattiche Per ottenere questa performance occorrono Spettrografi ad Altissima Risoluzione

23 RISULTATI: Curve di Velocità

24 Fino a qualche anno fa le misure di Velocità Radiale favorivano: La ricerca di pianeti molto vicini alla loro Stella La ricerca di pianeti di tipo Gioviano o più massicci Oggi la ricerca di pianeti di Massa Terrestre è diventata possibile perché in 10 anni la precisione è passata da V R = 10 m/sec a V R = 1 m/sec, e sarà resa ottimale quando la precisione diventerà V R = 0.1 m/sec.

25 PARAMETRI ORBITALI OTTENIBILI P V R m p sin (i) a e giorni m / sec MJ UA da 0 a 1 Poiché la Precisione in V R è tanto maggiore quanto minore è il valore di V R Poiché il valore di V R è tanto più piccolo quanto minore è il valore di m p Poiché non si può (attualmente) andare oltre ad una Precisione di V R = 1 m/sec Rimane abbastanza difficile rilevare con certezza pianeti con massa pari o minore di quella della Terra

26 PROBLEMA: Le debolissime oscillazioni della Velocita Radiale potrebbero anche essere dovute a Microvariabilita della Stella e non al Pianeta Pulsazioni Macchie Stellari Rotanti

27 Astrometria da Terra e dallo Spazio : Moto Stellare Riflesso II Pianeta (invisibile) Limite : = r / d Stella Richiesta Elevatissima Risoluzione Angolare Si studiano le Oscillazioni della Stella direttamente sulle Immagini CCD ESEMPIO 1 : La segnatura astrometrica del sistema Sole-Giove visto da 30 Anni Luce è di 500 µarcsec Diametro Angolare Oscillazione Stellare ESEMPIO 2 : Performance per una Stella di 1 Massa Solare in un orbita di 1 UA alla distanza di 30 Anni Luce : Da Terra: 20 arcsec per vedere una pianeta di massa minima di 66 M T Dallo Spazio: 2 arcsec per vedere un pianeta di massa minima di 6.6 M T arcsec

28 Effetto Doppler da Pulsar : Moto Stellare Riflesso III La Pulsar emette impulsi periodici, come un orologio Se un Pianeta orbita attorno ad una Pulsar causa un oscillazione dell orbita della Pulsar attorno al suo centro di massa. Poiché la Pulsar non è ferma nello spazio, le pulsazioni arrivano al telescopio con un fievole ritardo che perturba l orologio in maniera misurabile. Distorsioni Regolari di un Millisecondo possono essere causate da Pianeti di Tipo Terrestre

29 Fotometria Ottica I : Transito e Occultazione E il metodo più efficace per trovare pianeti di massa terrestre La Diminuzione di Luce per un Sistema tipo Sole-Terra è Tipicamente di 1 parte su

30 Analogia con il Sistema Solare: Transito di Mercurio davanti al Sole (l ultimo nel 2006) Noi cerchiamo di osservare esattamente la stessa cosa in Altre Stelle. Con la differenza che in questo caso le distanze sono 1-10 Milioni di volte maggiori. Ciò dà un idea della incredibile precisione di cui abbiamo bisogno nel caso dell osservazione dei transiti di Pianeti Extrasolari.

31 La Diminuzione di Luminosità dipende dalle Dimensioni del Dischetto del Pianeta Il Dischetto del Pianeta è Tanto Più Grande Quanto Maggiore è la distanza del Pianeta dalla sua Stella Un Pianeta di Tipo Terrestre ad 1 UA dalla sua Stella può favorevolmente produrre l effetto

32 Il Metodo dei Transiti è quello ora considerato più efficace Anche perché ha permesso di trovare pianeti di dimensione simil-terrestre e anche più di un pianeta in una stessa stella

33 RISULTATI: Curve di Luce

34 Parametri Misurabili R P i

35 Kepler Lanciato il 6 Marzo 2009

36 Kepler : SCOPO DELLA MISSIONE Puntare stelle dei tipi spettrali più svariati (usandotelescopio Schmidt da 1.0 m di apertura) Cercare pianeti volte meno massicci di quelli scoperti adesso Ricerca di altre Terre (a periodo orbitale breve attorno a stelle K-M, oppure a periodo orbitale lungo attorno a stelle G) Tecnica utilizzata : Transiti / Metodo Fotometrico Strategia: osservare simultaneamente stelle, misurando variazione di luminosità ogni 30 minuti

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38 A Caccia di Altre Terre

39 Come essere sicuri che si tratta veramente di Pianeti Extrasolari? 1. Essendo in grado di escludere fenomeni di Variabilità Intrinseca delle stelle puntate, in particolare: stelle binarie oppure stelle variabili con macchie rotanti. 2. Misurando anche con telescopi da terra utilizzando la tecnica spettroscopica delle Velocità Radiali: ciò esclude falsi positivi.

40 Allo Stato Attuale: la Missione Kepler ha trovato 700 candidati Exo-Pianeti, dei quali 7 sono ora pienamente confermati come tali, la maggior parte dei quali di dimensioni comparabili a quelle di Giove, e appartenenti a stelle di tipo spettrale comparabile a quello del Sole.

41 Allo Stato Attuale: la Missione Kepler ha trovato 700 candidati Exo-Pianeti, dei quali 7 sono ora pienamente confermati come tali, la maggior parte dei quali di dimensioni comparabili a quelle di Giove, e appartenenti a stelle di tipo spettrale comparabile a quello del Sole. In un caso si tratta di un Sistema Planetario Multiplo: 2 Pianeti semi-gioviani + 1 possibile pianeta di dimensioni comparabili a quelle della Terra ( Super-Earth ).

42 Allo Stato Attuale: la Missione Kepler ha trovato 700 candidati Exo-Pianeti, dei quali 7 sono ora pienamente confermati come tali, la maggior parte dei quali di dimensioni comparabili a quelle di Giove, e appartenenti a stelle di tipo spettrale comparabile a quello del Sole. In un altro caso si tratta di un Pianeta singolo con massa 20 volte maggiore di quella della Terra e 10 volte minore di quella di Giove.

43 TRANSITI PLANETARI rilevati da Kepler Confronto tra i primi 5 pianeti scoperti Pianeti di massa +/- Gioviana Pianeta di massa 20 volte maggiore di quella della Terra (e raggio 4 volte maggiore) e 10 volte minore di quella di Giove

44 POSSIBILE SPETTROSCOPIA DURANTE I TRANSITI Luce Stellare filtrata da Atmosfera Planetaria ricca di Sodio h = E Spettro in Assorbimento Stella PIANETA Spettrografo Spettrografo SPETTRO Lo Spettro Stellare del Sodio è incrementato dalla Atmosfera ricca di Sodio del Pianeta

45 La forma della curva di luce può rivelare la presenza di Inviluppi Circumplanetari

46 SETT : Search for Extraterrestrial Technology Ricerca di Transiti di Strutture Artificiali usando Telescopi Spaziali Ottici e Infrarossi usati in Fotometria

47 Simulazione e Curva di Luce Attesa

48 Dettagli Fotometrici Ottenibili della Superficie del Pianeta dalle sue modulazioni di luce

49 Pianeti Giganti in orbite interne possono essere rivelati indipendentemente dall allineamento orbitale Si misura la Modulazione Periodica della Luce Riflessa

50 Fotometria Ottica II : Microlenti Gravitazionali Curve di Luce

51 L entità della Amplificazione di Luce della Sorgente dipende dalla Posizione rispetto alla quale si trova la Lente Stella + Pianeta rispetto alla Sorgente e all Osservatore

52 Interferometria Ottica Intensità D T 2 S T ANNULLAMENTO LUCE STELLA Dallo Spazio Da Terra

53 Un Onda è caratterizzata da Picchi e da Valli.. Con un Interferometro oltre ad allineare tra loro i Picchi per incrementare il segnale, è possibile allineare i Picchi con le Valli in modo da annullare il segnale della Stella. Ciò non succede al segnale dei Pianeti di quella Stella perché la loro luce effettua percorsi differenti nel sistema ottico. In tal modo viene rilevato solo il Segnale dei Pianeti. Immagine Ottica Diretta per Interferometria

54 L Interferometria a Lunghissima Base può consentire di ottenere una Immagine Diretta del Pianeta Banda OTTICA Banda INFRAROSSA La Luminosità della Stella supera quella del Pianeta di almeno 1 Milione di volte : osservazione diretta proibitiva Contrasto di Luminosità tra Stella e Pianeta molto minore : osservazione diretta possibile

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57 Spettroscopia Infrarossa Diretta di Atmosfere Planetarie

58 Niente Coronografo Coronografia: Eclisse Artificiale della Stella Coronografo L Analisi Numerica delle Immagini aiuta ad aumentare il Contrasto Coronografo + Filtro

59 La distribuzione di Pianeti in Altre Stelle è più la Regola che l eccezione e Alcuni di essi possono essere Abitabili. FASCIA DI ABITABILITÀ SOLE TERRA

60 Gliese 581 G Il pianeta più simile alla Terra trovato fino ad oggi. g In orbita (P = 37 giorni) attorno alla Nana Rossa Gliese 581

61 Sole Tanti Possibili Mondi Nelle Nostre Vicinanze a 50 Anni Luce : 133 Stelle Simili alla Nostra e con possibili Pianeti 50 Anni Luce Via Lattea : D = Anni Luce

62 Conclusioni La scoperta dei pianeti extrasolari per ora è prevalentemente Indiretta Negli ultimi 5 anni si è passati dalla scoperta di exopianeti pianeti giganti a quella di pianeti di dimensioni comparabili a quelle della Terra Il metodo Fotometrico dei Transiti è il piu sicuro. Il metodo Spettroscopico della Curva di Velocità, pur avendo permesso la scoperta della maggior parte dei pianeti, non è sicuro al 100%: in alcuni casi le variazioni periodiche della Vr potrebbero essere dovute a pulsazioni radiali o non-radiali della stella parente oppure a variabilità da star-spots. Le scoperte effettuate sono frutto della elevata sofisticazione raggiunta al giorno d oggi sia dall Hardware che dal Software. La detezione Diretta dei pianeti extrasolari, pur con notevoli progressi rispetto a 10 anni fa, non ha ancora fornito molti risultati e certi progetti sono ancora da mettere in pratica. La futura detezione diretta di Pianeti simili alla Terra permetterà di indirizzare la ricerca SETI in maniera mirata, potendo selezionare i target.

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