Riusciremo a osservare le atmosfere dei pianeti intorno alle altre stelle?
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- Faustino Cattaneo
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1 Riusciremo a osservare le atmosfere dei pianeti intorno alle altre stelle? Ing. Claudio Costa - carocicosta@gmail.com - carocicosta.it Unitrè Ariccia, 11 Feb 2017
2 I pianeti prima del 1995
3 Il primo pianeta extra-solare: 51 Pegasi
4 Quindi, un pianeta extrasolare (o exopianeta, o esopianeta) è un pianeta non appartenente al sistema solare, orbitante cioè attorno a una stella diversa dal Sole Alla data 1 gennaio 2017 sono conosciuti 3,572 esopianeti in 2,682 sistemi planetari e 602 sistemi planetari multipli confermati
5 Mini-Terre e Super-Terre
6 Dimensioni dei candidati esopianeti
7 La scoperta della maggior parte degli esopianeti è resa possibile da metodi di osservazione indiretta piuttosto che da osservazioni al telescopio A causa dei limiti delle tecniche di osservazione attuali, la maggior parte dei pianeti individuati sono giganti gassosi come Giove e, solo in misura minore, pianeti rocciosi massivi del tipo Super Terra, anche se ultimamente la frazione di pianeti più piccoli sta notevolmente crescendo, soprattutto grazie alla missione Kepler I pianeti, in confronto alle stelle, emettono molta meno luce Per questo motivo, l'individuazione diretta di pianeti extrasolari risulta estremamente difficile: in condizioni normali di visibilità, i pianeti hanno solitamente una luminosità pari a circa un milione di volte meno di quella di una stella In aggiunta a questa intrinseca difficoltà di rilevazione, la maggiore luminosità delle stelle, attorno alle quali orbitano i pianeti, causa un bagliore che tende a coprire la luce debolmente riflessa dai corpi celesti del rispettivo sistema
8 Sono 6 i metodi usati per l osservazione indiretta dei pianeti extrasolari: Astrometria: L'astrometria consiste nella misurazione precisa della posizione di una stella nel cielo e nell'osservare in che modo questa posizione cambia nell'arco del tempo Se la stella ha un pianeta, allora l'influenza gravitazionale del pianeta stesso causerà alla stella un leggero movimento circolare o un'orbita ellittica attorno a un comune centro di massa
9 Il moto del baricentro del Sistema Solare rispetto al Sole
10 Al momento nessun pianeta è stato scoperto con l astrometria Ma la missione Gaia misurerà le posizioni stellari con precisione mi raggiunta: un errore di circa 30 milionesimi di secondo d arco Che corrisponde a vedere la Terra accanto al Sole da una distanza di circa anni luce! Si prevede che Gaia riuscirà a scoprire pianeti entro tale raggio
11 Velocità radiali: Questo metodo è conosciuto anche col nome di metodo Doppler Le variazioni nella velocità con cui la stella si avvicina o si allontana dalla Terra questa velocità è definita appunto come velocità radiale della stella rispetto alla Terra possono far dedurre la presenza di un pianeta, a causa di spostamenti periodici delle righe spettrali della stella, in accordo con l'effetto Doppler Col passare del tempo, questa è diventata la tecnica più produttiva usata dai "cacciatori di pianeti" Con questo metodo si può determinare la massa di un pianeta extrasolare
12 L effetto è molto piccolo: Giove induce un cambio di velocità al Sole di 12 m/s Qui si vede invece l effetto del moto di Arturo rispetto al Sole da cui risulta un moto relativo di 50 km/s
13 Metodo del transito: Se un pianeta attraversa (o transita) di fronte alla propria stella, allora è osservabile una riduzione della luminosità della stella eclissata L'ammontare della variazione dipende dalla dimensione del pianeta e della stella stessa I pianeti extrasolari si distinguono dalle stelle variabili a eclisse dal fatto che nella curva di luce dei primi c'è un'unica variazione, nelle seconde invece le variazioni sono due Con questo metodo si possono determinare le dimensioni del pianeta extrasolare
14 L esempio di un transito: quello di Venere sul Sole
15 Il transito su HD visto da diversi osservatori nel mondo con telescopi amatoriali (35 cm)
16 Gli strumenti in orbita per osservare i transiti
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18 E da Terra
19 Variazioni degli intervalli di emissioni di una Pulsar: Una pulsar (il residuo piccolo e ultradenso di una stella che è esplosa in una supernova), ruotando, emette onde radio a intervalli estremamente regolari Leggere anomalie negli intervalli delle emissioni possono essere usate per tracciare cambiamenti nel moto della pulsar, causati dalla presenza di uno o più pianeti
20 Microlente gravitazionale L'effetto della lente gravitazionale avviene quando i campi gravitazionali di due corpi celesti cooperano per focalizzare la luce di una stella lontana Se il primo corpo celeste (quello più vicino all'osservatore) è un pianeta, ciò sta a significare che possiede un campo gravitazionale tale da contribuire in modo importante all'effetto della microlente gravitazionale
21 Se la stella che fa da microlente ha un pianeta, lo si può vedere come un picco secondario nella curva di luce della microlente
22 Dischi circumstellari e protoplanetari: Le nubi di polveri circondano molte stelle, ed esse possono essere individuate poiché in grado di assorbire la luce stellare e riemetterla sotto forma di radiazione infrarossa Analizzando attentamente le nubi di polveri, è possibile individuare elementi che suggeriscono la presenza di pianeti e/o protopianeti
23 Rilevamento diretto L'individuazione di pianeti extrasolari mediante imaging d iretto è resa molto difficile dal fatto che l'osservazione di tali corpi celesti è disturbata dalla luminosità della stella madre, che offusca la luminosità, molto più debole, emessa dai pianeti
24 È più facile ottenere immagini dirette quando il pianeta è particolarmente massivo (molto più grande di Giove), la sua orbita è molto lontana dalla stella madre, ed è caldo, in modo da emettere radiazione infrarossa; si sono ottenute, così, immagini di pianeti che sono più luminosi all'infrarosso che nello spettro della luce visibile Immagine diretta di esopianeti attorno alla stella HR 8799, ottenuta con un coronografo a vortice su una porzione di 1,5 m del Telescopio Hale su Monte Palomar
25 Il sistema di Fomalhaut visto dal telescopio Hubble
26 E da ALMA
27 ALMA è un radiointerferometro costituito da un array di 66 radiotelescopi con diametro di 12 e 7 metri, che osservano alle lunghezze d'onda millimetriche e sub-millimetriche Le antenne sono state installate sul Llano de Chajnantor dell'altopiano Puna de Atacama, a 5000 metri di quota
28 Fomalhaut b è un «Giove caldo» scoperto nel 2008 Dista dalla stella circa 115 volte la distanza della Terra dal Sole Ha un periodo di rivoluzione attorno alla su stella di circa 870 anni
29 Dove si trovano nella Galassia i pianeti osservati finora
30 Molti astronomi si domandano perché molti pianeti extrasolari siano giganti gassosi di grandi dimensioni e perché si trovino molto vicini alla loro stella, rispetto a quelli del nostro sistema solare Per esempio, τ Bootis ha un pianeta 4 volte più grande di Giove a meno di un quarto di unità astronomica (UA) di distanza (cioè un quarto della distanza Terra-Sole) Una possibile risposta è che i metodi di ricerca odierni favoriscano l'individuazione di questo tipo di sistemi: un grande pianeta posto a piccola distanza amplifica le oscillazioni della stella, ed esse sono facilmente visibili come effetto Doppler Un pianeta più piccolo, a distanza più grande, provoca oscillazioni molto più piccole e difficili da vedere bene
31 Un'altra spiegazione è che i pianeti si siano formati a distanze maggiori, per poi muoversi verso l'interno a causa delle reciproche interazioni gravitazionali Tale modello è stato chiamato modello dei «Giovi Saltellanti», nome che rende bene l'idea Simulazione della migrazione dei pianeti esterni e della fascia di Kuiper a. Prima della risonanza 2:1 tra Giove e Saturno b. Dispersione degli oggetti della fascia di Kuiper dopo la migrazione orbitale di Nettuno c. dopo l'espulsione degli asteroidi da parte di Giove (orbita di Giove in verde - orbita di Saturno in arancione - orbite di Urano e Nettuno in blu chiaro e blu scuro)
32 La missione Kepler è una missione spaziale della NASA parte del programma Discovery, il cui scopo è la ricerca e conferma di pianeti simili alla Terra in orbita attorno a stelle diverse dal Sole, tramite l'utilizzo del telescopio spaziale Kepler Il veicolo spaziale, chiamato in onore dell'astronomo tedesco del diciassettesimo secolo Johannes Kepler è stato lanciato con successo il 7 marzo 2009 Oggi purtroppo la missione è stata parzialmente pregiudicata da guasti meccanici
33 La parte di cielo osservata dalla sonda Kepler Per coprire tutto il cielo ci vorrebbero circa 400 sonde come Kepler!
34 Gli oltre 1200 candidati di pianeti extrasolari della missione Kepler, in scala, assieme alla loro stella Per riferimento, il Sole e Giove sono quelli fuori dalle righe, sulla destra in alto
35 Kepler 22b
36 Orbite di alcuni dei sistemi planetari scoperti dalla sonda Kepler
37 Kepler-20e ruota vicino alla propria stella, simile al Sole, a 7,6 milioni di una temperatura superficiale di circa 1040 K km e ha Kepler-20f ha un raggio di circa 1,03 quello terrestre e una temperatura superficiale di circa 700 K: orbita a una distanza media di 17,5 milioni di chilometri su un'orbita piuttosto eccentrica
38 La caccia al gemello della Terra ha fornito candidati sempre più simili, fino a Kepler-62, un pianeta orbitante attorno alla stella Kepler-62, una nana arancione distante 1200 anni luce dal sistema solare, situata nella costellazione della Lira La sua scoperta è stata annunciata il 18 aprile 2013 da parte del team della Missione Kepler Il pianeta, con un raggio 1,6 volte quello terrestre, è probabilmente una super Terra con superficie solida, e si trova nella zona abitabile della stella, ove è possibile la presenza di acqua liquida in superficie
39 Compie un'orbita attorno alla sua stella ogni 122 giorni ad una distanza di 0,427 UA insieme agli altri 4 pianeti confermati del suo sistema stellare Il Planetary Habitability Laboratory dell'università di Arecibo ha calcolato la sua temperatura d'equilibrio in 266 K (-7 C) Considerando invece un'atmosfera simile a quella della Terra tale valore sale, per l'effetto serra, a 304 K (+31 C), detta temperatura superficiale, valore che permette l'esistenza di acqua liquida in superficie
40 Considerata la sua natura super-terrestre il pianeta potrebbe però avere un'atmosfera più densa di quanto ipotizzato, ed essere più simile a Venere (737 K) Considerando come corretta l'ipotesi di atmosfera terrestre il suo Earth Similarity Index è il più alto conosciuto, pari a 0,824
41 Attorno alla stella HD 69830
42 Abbiamo imparato che il Sistema solare NON è rappresentativo e capire perché è una delle sfide più grandi dell astrofisica odierna
43 Anche conoscendo quanto sono grandi e quanto sono massicci non riusciamo a coprire tutta la diversità
44 Le loro atmosfere, essenziali per l abitabilità, sono determinate da tanti processi:
45 Le domande chiave per i pianeti solidi, non solo gassosi e quindi potenzialmente abitabili
46 La spettroscopia può aiutarci a rispondere: grazie ai satelliti artificiali conosciamo lo spettro della nostra atmosfera vista dallo spazio
47 E quella dei pianeti esterni del sistema solare
48 Come investigare l atmosfera degli esopianeti: la regione spettrale è critica
49 Abbiamo imparato a riconoscere i «marcatori» degli elementi e delle molecole nell infrarosso
50 Con i transiti «radenti» possiamo sondare le atmosfere
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53 Facciamo lo spettro durante l eclisse del pianeta invece che durante il transito
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55 Quello che abbiamo già e quello che rimane da rivelare
56 Le missioni future
57 Un lavoro di squadra
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59 Volete saperne di più?
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