Il Sistema solare è unico?

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1 Il Sistema solare è unico? 11 Ottobre 2007 Conferenza della Specola Roberto Bedogni INAF Osservatorio Astronomico di Bologna via Ranzani, Bologna - Italia Tel, Fax, roberto.bedogni@bo.astro.it 1

2 Tanti Soli tante Terre? Un solo Sole una sola Terra? Una risposta certa al problema dell unicità del Sistema solare ancora non esiste ma.. Forse per la prima volta possiamo ritenere possibile la domanda! Quali sono i motivi che portano a ritenere sensata la domanda?? 2

3 L esplorazione spaziale -il grande balzo in avanti L esplorazione del Sistema solare iniziata 50 anni fa, il 4 ottobre 1957, con il lancio dello Sputnik è stata semplicemente straordinaria 3

4 La grande novità la scoperta dei Pianeti extrasolari 16 Cygni B 47 Ursae Majoris 55 Cancri 51 Pegasi 70 Virginis Gliese 229 Fino a 11 anni fa non esistevano prove dell'esistenza di pianeti in orbita intorno a stelle esterne al Sistema solare. Solo nell'ottobre del 1995 M. Mayor e D. Queloz dell'osservatorio di Ginevra annunciarono la scoperta di un pianeta di grande massa attorno alla stella, di tipo solare, 51 Pegasi, fu l inizio di una lunga serie di scoperte! 4

5 Le principali missioni spaziali 12 settembre 1959 La sonda Lunik 2 osserva la faccia nascosta della Luna Il Mariner 4 raggiunge Marte il 14 luglio 1965 passando a 9920 km dalla sua superficie, per la prima volta, mandò a Terra 22 immagini della sua superficie 5

6 Marte senza i canali Le prime straordinarie fotografie della superficie di Marte del Mariner 4 (1965) e del Mariner 9 (1971) mostrano un pianeta primo dei tanto famosi canali di Marte 6

7 L esplorazione di Venere Nel 1969 il Venera 7 trasmise dati per 23 minuti una volta raggiunta la superficie di Venere. Nel 1981 Venera 13 e 14 trasmisero le prime foto a colori del suolo venusiano. 7

8 L esplorazione di Mercurio Il Mariner 10 nel 1977 dopo essersi avvicinato a Venere, per una felice intuizione dell astronomo italiano Giuseppe Colombo, effettuò la prima, e per ora unica, ricognizione di Mercurio. 8

9 Voyager I e II : il grand tour dei pianeti esterni Lancio delle due sonde spaziali: 20 agosto e 5 settembre 1977 Giove Voyager 1 il 5 marzo 1979 Voyager 2 il 9 luglio 1979 Saturno Voyager 1 l'11 novembre 1980 Voyager 2 il 25 agosto 1981 Dopo avere raggiunto Saturno il Voyager 1 è disattivato Urano Voyager 2 il 24 gennaio 1986 Nettuno Voyager 2 il 29 agosto 1989 Il Voyager 2 esce dal Sistema solare: 9

10 Dal 1990 al 2000 Sonda Galileo Giove Sonde Viking 1 e 2 Marte Sonda Magellano Venere Una miriade di sonde automatiche ha esplorato in lungo ed in largo il Sistema solare 10

11 Oggi.. solo alcune delle missioni in corso Sonda Cassini- Huygens Saturno Sonda Mars Express Marte Sonda Venus express Venere 11

12 Parametri orbitali dei Pianeti Mercurio, Venere, Terra,Marte, Giove e Saturno ---- Mercurio Venere Terra Marte Giove Saturno Urano Nettuno Distanza (U.A.) Periodo rivoluzione (anni) Cosa sappiamo del Sistema solare? 0,39 0,72 1 1,52 5,2 9,58 19,14 30,19 0,241 0, ,88 11,86 29,5 83,70 164,7 Prot/P t 58, ,029 0,411 0,428-0,728 0,802 Periodo rotazione (ore) Inclinazione orbita 1394,4-5819,7 23,93 24,62 9,84 10,23 17,18 0, , ,850 1,308 2,488 0,774 1,774 Eccentricità 0,2056 0,0068 0,0167 0,0934 0,0483 0,0560 0,046 0,0097 Numero satelliti Magnitudine visuale (63) 18 (60) ,2-4, ,5-0,7 5,50 7,9 12

13 Cosa sappiamo del Sistema solare? Parametri fisici dei Pianeti Mercurio, Venere, Terra,Marte, Giove e Saturno ---- Mercurio Venere Terra Marte Giove Saturno Urano Nettuno Distanza (U.A.) 0,39 0,72 1 1,52 5,2 9,58 19,14 30,19 R/R T 0,38 0,95 1 0, M/M t 0, , ,2 14,4 17,1 Prot/P t 58, ,029 0,411 0,428-0,728 0,802 G m/s 2 0,239 0,88 1 0,38 2,6 0,93 0,79 1,12 ρ (g/cm 3 ) 5,43 5,25 5,52 3,95 1,33 0,69 1,29 1,64 13

14 Distanze e raggi planetari ---- D (AU) R/R T Sole Mercurio 0,39 0,38 Venere 0,72 0,95 Terra 1,0 1,00 Marte 1,5 0,53 Giove 5,2 11 Saturno 9,5 9 Urano 19,2 4 Nettuno 30,1 4 Plutone 39,5 0,18 Giove ha un raggio 11 volte maggiore di quello della Terra 14

15 Pianeti terrestri e pianeti gassosi ---- D (AU) R/R t ρ (g/cm 3 ) Sole ,41 Mercurio 0,39 0,38 5,43 Venere 0,72 0,95 5,25 Terra 1,0 1,00 5,52 Marte 1,5 0,53 3,95 Giove 5,2 11 1,33 Saturno 9,5 9 0,69 Urano 19,2 4 1,29 Nettuno 30,1 4 1,64 Densità dell acqua= 1 gr/cm 3 15

16 La composizione dei pianeti interni I pianeti interni più vicini al Sole (quelli "Terrestri") presentano una struttura "rocciosa. Mercurio, Venere, Terra e Marte sono costituiti infatti da un nucleo metallico circondato da uno strato di silicati. Nel passato tutti e quattro furono modificati dall'attività vulcanica e tettonica. Oggi solo la Terra è tettonicamente attiva anche se i gas prodotti dai vulcani formarono le atmosfere di Venere e di Marte. 16

17 La composizione dei pianeti esterni I quattro pianeti esterni (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) contengono il 99 % del materiale del Sistema solare escluso il Sole. Sono degli sferoidi di gas di idrogeno ed elio con miscugli di metano, ammoniaca, ed acqua. Il gas di idrogeno nell'interno di Giove e Saturno condensò in idrogeno liquido alle maggiori profondità. Tutti e quattro hanno, probabilmente, un nucleo costituito da metalli, silicati ed acqua. Tre dei pianeti esterni irradiano più calore di quanto ne ricevano dal Sole. Curiosamente solo Urano non presenta questo eccesso di calore 17

18 La formazione del Sistema solare Il problema dei tempi E`essenziale riuscire a stabilire quando si è formato il Sistema solare e quanto è durato il processo di formazione. Per dare una risposta a queste due domande è necessario introdurre il metodo di determinazione dell età delle rocce terrestri, lunari e, soprattutto, dei meteoriti. 18

19 L età del Sistema Solare Le misure fatte con questi elementi radioattivi su campioni di meteoriti mostrano che l'età del Sistema solare è approssimativamente 4,55 miliardi di anni. 19

20 La durata del processo di formazione La nube primordiale Le misure delle abbondanze del Pu 244 (Plutonio) e dello I 129 (Iodio), che hanno dei tempi di decadimento più corti, danno una indicazione relativa al tempo necessario per la condensazione del materiale planetario. Essi mostrano che non sono stati necessari più di 100 milioni di anni per la formazione dei pianeti dopo che il materiale protosolare si è isolato da quello interstellare. 20

21 La teoria nebulare di Kant e Laplace ed il modello MMSN L idea che il Sistema solare si sia formato da una unica nebulosa di gas e polveri fu proposta da Kant e Laplace sviluppando un idea di Wright. Questo modello ebbe il merito di rendere conto di buona parte delle conoscenze astronomiche relative al Sistema solare, note nel 18 esimo secolo e si è sviluppato nel modello Minimum Mass Solar Nebula 21

22 Le fasi di formazione planetaria I La nebula primordiale inizia a risentire della gravità e si produce un collasso gravitazionale. Questo collasso può essere stato innescato, 4,5 miliardi di anni fa, da una causa esterna ad esempio l esplosione di una Supernova vicina alla nube 22

23 Le fasi di formazione planetaria II Il collasso della nube primordiale porta, per la conservazione del momento angolare, a produrre un struttura a disco Nella struttura a disco si ha un accumulo di materiale nella parte centrale Al centro del disco si forma il protosole il cui vento ripulisce il gas dagli elementi leggeri (H ed He) le zone più interne (pianeti terrestri) del disco protoplanetario e li confina nelle regioni più esterne (pianeti giganti) 23

24 Le fasi di formazione planetaria III Nel disco si ha azione delle forze dissipative che porta i grani a crescere sino a formare 1) polveri 2) sassi 3) i planetesimi che formano i nuclei (embrioni) per la formazione dei pianeti Gli asteroidi per collisione precipitano sugli embrioni e formano in pianeti che si collocano nelle loro orbite attuali Il tutto in circa 100 milioni di anni 24

25 Andamento di densità nel disco e linea del ghiaccio Densità materiale nel disco Roccia Pianeti terrestri gas Roccia e ghiaccio Pianeti giganti 3 U.A. (Linea del ghiaccio) Distanza dal proto-sole 25

26 La formazione di Giove La grande quantità di ghiaccio e le basse temperature oltre le 3 U.A. hanno portato alla formazione di estesi nuclei rocciosi e ghiacciati con maggiori possibilità di accrescere un grande inviluppo di gas (H ed He) formano estese atmosfere. Infatti le particelle ghiacciate hanno grandi sezioni di urto efficaci Nuclei di roccia e ghiacci con massa ~ 35 M Terra (?) M Giove ~ 318 M Terra 26

27 Tempi di crescita Pianeti terrestri Giove anni anni Urano e Nettuno anni NB 10 6 anni=1 milione di anni Problemi 1. La fase di T-Tauri (vento stellare primordiale) limita i tempi di crescita a 10 7 anni 2. Le osservazioni sui dischi di accrescimento in stelle esterni danno una massa del disco pari a M disco ~ 0,1 0,01 M cioè da 8 ad 80 volte la massa del disco del Sistema solare 27

28 Perché cercare altri Sistemi solari? La Terra è un pianeta unico anche nel nostro Sistema solare. L unico, forse, su cui si è sviluppata la vita. Bisogna spingersi più lontano, negli oscuri e freddi spazi interstellari alla ricerca di altri Sistemi extrasolari per avere la possibilità di trovare altri sistemi planetari forse con vita biologica e, chissà, intelligente. 28

29 L osservazione dei Sistemi extrasolari Purtroppo non è affatto semplice individuare e quindi osservare i Sistemi extrasolari. Nonostante questa grande difficoltà sono stati fatti straordinari progressi negli ultimi dieci anni. Quasi 250 Sistemi extrasolari sono stati scoperti e siamo solo all inizio. 29

30 L Enciclopedia dei Pianeti Extrasolari Dove trovare le informazioni sui pianeti extrasolari? Enciclopedia dei Pianeti Extrasolari (in italiano) All indirizzo web: 30

31 Metodi di rilevamento dei Sistemi extrasolari I candidati pianeti extrasolari rivelati all sono 254 Metodi indiretti Con il metodo delle velocità radiali: 206 Sistemi planetari 241 pianeti 25 sistemi di pianeti multipli Con il metodo delle occultazioni: 27 pianeti extrasolari transitano davanti alla stella Con il metodo delle microlenti gravitazionali 4 pianeti Con timing 3 Sistemi planetari 5 pianeti Metodi diretti Con immagini 4 pianeti 1 sistemi di pianeti multipli 31

32 Effetto Doppler-onde sonore L effetto Doppler si ha con tutti i moti ondulatori, sia quelli di propagazione delle onde sonore nell aria che quelli di propagazione delle onde luminose nel vuoto Onde sonore Se siamo fermi ad un passaggio a livello ed un treno viene verso di noi fischiando ascoltiamo un suono che sia fa sempre più avvicinamento acuto in mentre diventa sempre più allontanamento. grave in 32

33 Effetto Doppler-onde Luminose Nel caso della luce emessa da un corpo celeste 1) se questi si avvicina essa appare, all osservatore terrestre, come più acuta cioè di frequenza più elevata e quindi blu 2) se invece si allontana essa appare di frequenza più bassa e quindi rossa. Z = λ / λ 0 = V r /c Z = spostamento Doppler delle righe spettrali V r = velocità radiale sorgente luminosa c = velocità della luce circa km/sec λ= differenza tra la lunghezza d onda λ e emessa e la λ 0 a riposo 33

34 La spettroscopia e metodo delle velocità radiali La ricerca però è molto difficile in quanto è necessario misurare deboli variazioni nella velocità radiale V r di avvicinamento dei pianeti rispetto a noi. Ad esempio se il Sole venisse osservato da una distanza di 10 parsec mostrerebbe una variazione nell' ampiezza di V r di 13 m/sec in un periodo orbitale (P=12 anni) per un pianeta come Giove di 0,3 m/sec in un periodo orbitale (P=84 anni) per un pianeta come Urano di 0,09 m/sec per un periodo orbitale (P=1 anno) per un pianeta come la Terra 34

35 Le unità di misura dei pianeti extrasolari Nel definire le caratteristiche dei Sistemi extrasolari il termine di confronto e fornito dai pianeti giganti del Sistema solare ed in particolare da Giove ---- Dist (AU) R/R T M/M t G m/s 2 ρ (g/cm 3 ) Terra ,52 Giove 5, ,6 1,33 Saturno 9, ,93 0,69 Urano 19, ,79 1,29 Nettuno 30, ,12 1,64 35

36 I limiti del metodo delle velocità radiali 1) Il metodo fornisce i parametri orbitali e,a,p, ma determina solo approssimativamente la massa M del pianeta non dice nulla sul raggio R e la composizione del pianeta 2) l impossibilità di scendere sotto l effetto Doppler termico legato alle turbolenze cromosferiche della stella con Vr ~ 3-4 m/s 3) Attualmente ci si può spingere a rilevare pianeti Nettuno-Saturniani entro 1 U.A. 4) Un marcato effetto di selezione : è più facile vedere grandi pianeti (M> Mg) vicini alla stella principale 5) Esiste un limite superiore alla massa dei pianeti extrasolari di ~13-14 Mg dopo di che si sconfina nelle fredde e quasi invisibili Nane Brune 36

37 I pianeti extrasolari Le immagini qui riportate, escluse le mappe stellari, sono disegni elaborati sulla base delle caratteristiche, in parte supposte in parte misurate, dei pianeti extrasolari. 37

38 La stella 51 Pegasi 51 Pegasi d=50 a.l. G2IV (tipo spettrale) Sequenza Principale mv=5,49 Massa~1,11 M Età ~4 Gyr T=5793 K R=1,17 R [Fe/H]=0.2 L=1,32 L 38

39 Il sistema planetario di 51 Pegasi La stella 51 Pegasi Posizione- nella cost. di Pegaso a 50 a.l. dal Sole L osservazione di 51 Pegasi b Il pianeta 51 Pegasi b Massa = M sen i=148 Mt=0,468 Mg a semiasse maggiore=0,052 U.A. Periodo orbitale=4,23 giorni Eccentricità orbita=0 Temperatura = 1300 o K Scoperto nell ottobre

40 51 Pegasi b Hot jupiters Sole Giove Nel Sistema solare Giove dista dal Sole 5,2 Unità Astronomiche La stella 51 Pegasi Il Sistema extrasolare 51 Pegasi Periodo orbitale=4,2 giorni Semi-asse maggiore dell orbita=0.052 U.A. Massa del pianeta ~ 0,468 Masse di Giove Il pianeta 51 Pegasi b Confronto tra la collocazione del pianeta Giove nel nostro Sistema solare (in alto) e la disposizione planetaria nel Sistema extrasolare di 51 Pegasi b (in basso) 40

41 Il sistema stellare µ Arae La costellazione dell Altare non è visibile dall emisfero nord µ Arae HD d=50 a.l. G3 IV-V (tipo spettrale) Sequenza principale mv=5,15 Massa~1,08 M Età =6,41 Gyr T =5700 K R = 1,245 R [Fe/H]= 0,28 L=1,77 L 41

42 Il sistema planetario multiplo µ Arae La stella µ Arae HD Posizione- nella cost. dell Altare a 50 a.l. dal Sole Scoperti quattro pianeti tra cui il più piccolo è µ Arae d Massa = M sen i=14 Mt=0,04 Mg a semiasse maggiore=0,052 U.A. Periodo orbitale=650 giorni Eccentricità orbita = 0 42

43 Il sistema planetario multiplo µ Arae Nome Distanza orbitale (D=U.A.) Periodo orbitale (P=anni) Eccent ricità µ Arae (stella) 0,0... Pianeta "d" 0,09 0,026 ~0 Ecosfera 1,3 1,31 0 Pianeta "b" 1,5 1,65-1,75 0,31-0,37 Pianeta "c"? 2,3 3,6 0,8 Ricostruzione delle orbite planetarie e confronto con quelle del Sistema solare 43

44 Il sistema planetario multiplo µ Arae Nome Massa (Terra=1) Diametro (Terra=1) µ Arae (stella) 356, Pianeta "d" ~14 >1-<4 Pianeta "b" ~11,2 Pianeta "c"? 320 ~11, 2 44

45 Il sistema planetario di µ Arae ha un nuovo pianeta e diventa quadruplo Nome HD b υ arae b HD c υ arae c HD d υ arae d HD e υ arae e Scoperto nel Massa 1,67 Mg 3,1 Mg 0,044 Mg 0,5219 Mg Massa 531 Mt 985 Mt 14 Mt 166 Mt Semiasse maggiore 1,5 U.A. 4,17 U.A. 0,09 U.A U.A. Periodo 654,5 giorni 2986 giorni 9,55 giorni 310 giorni Eccentricità 0,31 0,57 0 0,066 45

46 Il sistema stellare HD ed il suo pianeta HD d=14,4 a.l. Tipo spettrale G0 V mv=7,65 Massa=1,01 M Età = 4 Gyr T=5942 K R=1,12 R [Fe/H]= 0,04 L =1,61 L Il pianeta extrasolare era già stato scoperto con il metodo delle velocità radiali 46

47 Il sistema stellare HD ed il suo pianeta Nel 1999 è stato scoperto il pianeta HD a a semiasse maggiore = 0,045 U.A. Periodo orbitale=3,524 giorni Eccentricità orbita = 0,07 Dal Momento che si osserva un transito è possibili determinare l inclinazione dell orbita rispetto al piano del cielo I = 86,67 gradi calcolare esattamente la massa Massa= M sen i = 219 Mt=0,69 Mg dare una stima del suo raggio R= 1,32 Rg 47

48 Immagini di fantasia di Gliese 581b Il sistema stellare Gliese 581 Tipo di stella variabile BY Darconis-nella Lira d=20 a.l. Tipo spettrale M3V mv=10,56 Massa=0,31 M Età = 4,3 Gyr T=3480 K R=0,38 R [Fe/H]= -0,33 L =0,013 L 48

49 Il sistema planetario triplo Gliese 581 Pianeta Gliese 581 b Gliese 581 c Gliese 581 d Scoperto nel Massa=m. sin i Massa=m. sin i Distanza dalla Stella: Periodo Orbitale: 0,0492 M G masse di Giove ~ 15,64 M T masse terrestri 0,041 UA (Unità Astronomiche) 5,3683 (± 0,0003) giorni 0,0158 M G masse di Giove ~ 5,02 M T masse terrestri 0,073 UA (Unità Astronomiche) 12,932 (± 0,007) giorni 0,0243 M G masse di Giove ~ 7,8 M T masse terrestri 0,25 UA (Unità Astronomiche) 83,6 (± 0,7) giorni Eccentricità: 0,02 (± 0,01) 0,16 (± 0,07) 0,2 (± 0,1) 49

50 Gliese 581 e la zona di abitabilità 50

51 Il Sistema solare a confronto con i sistemi extrasolari Alla luce della scoperta di oltre 200 pianeti extrasolari considerare il NOSTRO Sistema solare come quello giusto??? Non è forse troppo antropico il nostro punto di vista??? Con così tanti pianeti scoperti ha senso sprovincializzarsi un po di più? Non è paradossale che proprio ora che allunghiamo il nostro sguardo ai dintorni del Sole ci rendiamo conto di quanto sia peculiare il NOSTRO Sistema solare?? 51

52 Pianeti extrasolari eccentricità semiassi NB i pianeti extrasolari anche quelli con M > Mg stanno più vicini alla stella della distanza di Giove (5.5.UA) ed hanno eccentrità maggiori Come mai per lo meno diversi extrasolari sono nel posto sbagliato e con orbite così eccentriche? 52

53 Pianeti extrasolari periodi sistemi multipli 53

54 54

55 I pianeti gassosi del Sistema solare I pianeti gassosi del Sistema solare si sono formati oltre le 3 U.A., cioè oltre la linea del ghiaccio, perché si formano con accrescimento su di un nucleo solido di polvere ghiacciata! Come mai troviamo extrasolari di taglia gioviana così vicini alla stella madre? L ipotesi è che anche gli extrasolari gioviani si siano formati lontano (nel posto giusto ) e che poi siano Migrati verso la fascia più interna La migrazione dei pianeti è proprio un concetto extraneo al nostro Sistema solare? 55

56 La migrazione nel Sistema solare - La fascia di Kuiper L immagine del Sistema solare si è profondamente evoluta nell ultimo decennio del XX secolo. Plutone non è più l unico tra i corpi celesti più distanti del Sistema solare: un gran numero di corpi ghiacciati sono stati recentemente scoperti ai confini del Sistema solare. 56

57 La migrazione e le orbite risonanti Sedna è un corpo celeste molto freddo, C in quanto molto distante dal Sole ad una distanza di circa 900 U.A. La sua principale caratteristica è quella di possedere un orbita, attorno al Sole, fortemente ellittica con un periodo orbitale di anni. 57

58 L orbita di Sedna Per spiegare l insolita orbita di Sedna è stato proposto: 1. che possa essere stata perturbata, nei primi 100 milioni di anni dalla formazione del Sistema solare, dal passaggio di una stella vicina; un altra stella formatisi dalla medesima nube interstellare che ha formato anche il Sistema solare (Hal Levison and Alessandro Morbidelli dell Osservatorio della Costa Azzurra (OCA) ) 2. un altra suggestiva possibilità è che Sedna si sia formata attorno ad una Nana Bruna 20 volte meno massiccia del Sole e poi catturata dal Sole durante un passaggio ravvicinato. 58

59 Migrazione degli extrasolari distibuzione delle masse dei pianeti numero di pianeti M sin i (Mgiov) Se il meccanismo di migrazione è già stato preso in considerazione per il Sistema solare allora diventa plausibile anche per gli extrasolari I giganti extrasolari sono più vicini alla loro stella perché li sono migrati causa un complesso meccanismo di dissipazione della loro energia orbitale spostandosi ad orbite sempre più interne Ma perché allora nel NOSTRO Sistema solare i giganti sono rimasti lì senza migrare verso l interno proprio nel posto giusto e con orbite praticamente circolari? 59

60 La formazione della Luna una migrazione verso l interno del Sistema solare Successione temporale di un impatto non frontale, quando l'oggetto che urta la Terra ha una massa del 13% di quella terrestre. I tempi sono in ore per le immagini da a) a k) e valgono 0.11, 0.32, 0.86, 1.40, 2.16, 4.85, 5.93, 13.48, 18.87, 21.02, and 26.95, rispettivamente. La scala di colore definisce la temperatura delle particelle (detriti) e sono in gradi Kelvin ( K). Le immagini da a) a k) guardano il sistema dall'alto. Le particelle rosse hanno una temperatura maggiore di 6440 K e le distanze sono in unità di 1000 Km. L'immagine l) presenta la visione di lato dopo 27 ore e le temperature sono modificate in modo che il colore rosso mostri una temperatura di 9110 K. 60

61 Titius-Bode legge o numerologia? 61

62 Pianeti extrasolari osservati oggi e progetti futuri Giove Saturno Urano e Nettuno Terra e Venere Marte 62

63 Giove 5.5 UA a Saturno a 9.5 UA 63

64 Pianeti extrasolari distribuzione in massa 64

65 La presentazione è terminata 65