I pianeti extrasolari. Mauro Dolci INAF OATe / SAIt

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1 I pianeti extrasolari Mauro Dolci INAF OATe / SAIt VIII Scuola Estiva di Astronomia Saltara (PU), luglio 2013

2 a pale blue dot

3 Da questo distante punto di osservazione, la Terra può non sembrare di particolare interesse. Ma per noi, è diverso. È qui. È casa. È noi. Su di esso, ogni essere umano che sia mai esistito ha vissuto la propria vita. Gioie e dolori, religioni e ideologie, eroi e codardi, creatori e distruttori di civiltà, madri e padri, santi e peccatori sono vissute lì, su un minuscolo granello di polvere sospeso in un raggio di sole. L'astronomia è un'esperienza di umiltà che forma il carattere. Non c'è forse migliore dimostrazione della follia delle vanità umane che questa distante immagine del nostro minuscolo mondo. Per me, sottolinea la nostra responsabilità di occuparci più gentilmente l'uno dell'altro, e di preservare e proteggere il pallido punto blu, l'unica casa che abbiamo mai conosciuto. Carl Sagan ( )

4 Giordano Bruno, sì che io ho dechiarato infiniti mondi particulari simili a questo della terra, la quale intendo un astro, simile alla quale è la luna, altri pianeti et altre stelle, le qual sono infinite; et che tutti questi corpi sono mondi et senza numero, li quali constituiscono poi la università infinita in uno spatio infinito; et questo se chiama universo infinito, nel qual sono mondi innumerabili

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6 MATERIALE IN ORBITA INTORNO ALLE STELLE: UNA «VERITÀ DA SEMPRE»

7 Sistemi stellari doppi e multipli Epsilon Lyrae: un sistema doppio-doppio

8 Sistemi stellari doppi e multipli Solo dopo l invenzione del telescopio si cominciano a scoprire sistemi stellari binari e multipli William Herschel Primo catalogo di circa 700 sistemi 9 luglio Il Washington Double Star Catalog (USNO) annovera sistemi (fonte: USNO United States Naval Observatory)

9 Dischi protoplanetari Grazie alla disponibilità di immagini ottiche e infrarosse ad alta risoluzione prodotte dal satellite IRAS e dal Telescopio Spaziale Hubble, si cominciano a scoprire dischi e anelli di materia prima intorno a Vega e Fomalhaut e poi intorno ad un numero sempre più grande di stelle.

10 Dischi protoplanetari

11 Giove: la stella mancata

12 LA RIVOLUZIONE DEGLI ANNI 90

13 IL CAMMINO VERSO LA SCOPERTA DEI PIANETI EXTRASOLARI Pictoris (disco di materia) HD (nana bruna compagna) PSR (due pianeti) Cephei (oscillazioni stellari) Pegasi! M. Mayor & D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, Nature 378, (23 Nov 1995)

14 Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari 27 Giugno pianeti identificati in 700 sistemi planetari (di cui 134 con più di un pianeta) in corso di studio in 168 sistemi (di cui 18 multipli) (fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)

15 Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari 27 Giugno pianeti identificati in 700 sistemi planetari (di cui 134 con più di un pianeta) in corso di studio in 168 sistemi (di cui 18 multipli) (fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE) + > 3200 candidati dalla Missione Spaziale Kepler!

16 KEPLER ( ?)

17 KEPLER - Telescopio spaziale con specchio primario da 1.4 m - Fotometro per la ricerca di transiti extrasolari da pianeti di tipo terrestre intorno a stelle di sequenza principale - Ricerca nel piano galattico, nelle regioni del Cigno, della Lira e del Drago - Lanciato nel 2009, missione prolungata fino al Guasto ad un giroscopio (maggio 2013): fine missione? - Oltre 3400 transiti candidati in una piccola regione di cielo Proiezioni statistiche: 1) almeno 1/3 delle stelle della Via Lattea -circa 80 miliardipotrebbero avere sistemi planetari; 2) nella Via Lattea potrebbero esistere oltre 15 miliardi di pianeti di tipo terrestre.

18 Declinazione (gradi) Un cielo pieno di sistemi planetari Triangolo Estivo Grande KEPLER Carro Orione Ascensione retta (ore)

19 Stelle «famose» con pianeti Stella RA DEC D (pc) M (M J ) T (d) a (UA) Anno Ari (Hamal) 02 h 07 m 10 s ,2 1,8 380,8 1, Cen B 14 h 39 m 35 s ,3 0,0036 3,2357 0, PsA (Fomalhaut) 22 h 57 m 39 s , Gem (Polluce) 07 h 45 m 18 s ,34 2,9 589,64 1, Pic 05 h 47 m 17 s ,3 7, , Leo A (Algieba) 10 h 19 m 58 s ,5 8,78 428,5 1, Cep A (Alrai) 23 h 39 m 20 s ,79 1,85 903,3 2, CrB 15 h 57 m 35 s ,9 6,7 417,9 1, Eri 03 h 32 m 55 s ,2 1, ,

20 La stragrande maggioranza dei pianeti finora scoperti si trova entro 100 anni-luce dal Sole SOLE ALFA-CEN 4,3 a.-l. SIRIO 8,6 a.-l. 70 anni-luce

21 I METODI DI RICERCA

22 1) Il metodo delle velocità radiali STELLA Baricentro del sistema Il moto del Sole intorno al baricentro, causato da Giove, ha una velocità di circa 6.5 m/sec pianeta

23 1) Il metodo delle velocità radiali

24 1) Il metodo delle velocità radiali

25 1) Il metodo delle velocità radiali

26 2) Il metodo astrometrico STELLA Baricentro del sistema Lo spostamento del Sole intorno al baricentro, causato da Giove, ha un ampiezza, vista da 10 pc, di circa 1 mas pianeta

27 3) Il metodo dei transiti Si va ad osservare e misurare la diminuzione temporanea di luminosità della stella dovuta al passaggio di un pianeta dinanzi ad essa.

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29 3) Il metodo dei transiti

30 3) Il metodo dei transiti

31 3) Velocità radiali durante un transito (effetto Rossiter-MacLaughlin, 1924)

32 4) L imaging diretto È il metodo più difficile, ma anche quello più sicuro. Grazie ai grandi telescopi muniti di ottiche adattive, a tecniche coronografiche, di nulling interferometry e di sottrazione del segnale della stella centrale sempre più raffinate, si stanno cominciando ad osservare veri e propri sistemi esoplanetari.

33 4) L imaging diretto

34 4) L imaging diretto La risoluzione spaziale con le ottiche adattive si spinge fino a 0.04 arcsec

35 Distanza pianeta stella (AU) La visibilità con imaging diretto r = distanza pianeta stella (AU) D = distanza stella Sole (pc) = risoluzione spaziale (arcsec) = 0.04 f = r Dθ Distanza stella Sole (pc)

36 La complementarità dei vari metodi di ricerca P orb d m R T surf e oth orb atm chi str VEL RAD TRA AST IMG DIR

37 L efficienza dei vari metodi di ricerca

38 L efficienza dei vari metodi di ricerca Velocità radiale della stella: v S Gm p 2 M S d Probabilità di transito: p = R S d Spostamento astrometrico: α 2d D m p m p + M S Visibilità direct imaging: f = d Dθ res φ lum

39 L efficienza dei vari metodi di ricerca

40 ESOPIANETI E SISTEMI ESOPLANETARI: CARATTERISTICHE

41 Lo stato della situazione Pianeti extrasolari 1. Il numero di pianeti extrasolari scoperti annualmente è in continua crescita. 2. Sembra che tutti possano rientrare in quattro ipotetiche classi: Hot Jupiters, pianeti giganti molto vicini alla stella madre; Earth-like (pianeti rocciosi di tipo terrestre); Super-Terre, pianeti di tipo roccioso aventi massa compresa tra quella terrestre e quella di Nettuno; Pianeti-oceano, con grande prevalenza di acqua allo stato liquido (profondità centinaia di Km).

42 Lo stato della situazione Sistemi esoplanetari 1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita. 2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi. 3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il 100%, e maggiore nei sistemi compatti.

43 GLIESE 581 Un caso davvero interessante Gliese 581 (distanza 20 anni-luce) 6 pianeti? Nome T (giorni) d (UA) Note Gliese 581 e (massa terrestre) Gliese 581 b Gliese 581 c (roccioso?) Gliese 581 g (terrestre abitabile?) Gliese 581 d (abitabile?) Gliese 581 f

44 Lo stato della situazione al 2012 Sistemi esoplanetari 1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita. 2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi. 3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il 100%, e maggiore nei sistemi compatti. 4. Nessuno dei Sistemi Esoplanetari appare tuttavia simile al Sistema Solare. 5. Si sta aprendo un nuovo paradigma per le teorie sulla formazione ed evoluzione dei sistemi planetari (le nostre conoscenze, relativamente al Sistema Solare, sono probabilmente errate perché troppo specifiche). 6. Definitiva conferma (se ce ne fosse stato bisogno) che la legge di Titius-Bode non esiste.

45 LA «HABITABLE ZONE»

46 ABITABILITÀ PLANETARIA L attitudine di un pianeta a sviluppare condizioni in grado di ospitare forme di vita. FASCIA DI ABITABILITÀ (definizione classica) L intervallo di distanze da una stella, all interno del quale un pianeta di tipo terrestre è caratterizzato da temperature superficiali tali da mantenere l acqua allo stato liquido.

47 ABITABILITÀ (classica) NEL SISTEMA SOLARE Mercurio C -110 C Giove Venere C Terra + 15 C -160 C Saturno Marte C < -200 C Urano < -200 C Nettuno

48 Limiti della definizione classica 1) si riferisce solo a pianeti di tipo terrestre; 2) la relazione tra temperatura del pianeta T p e distanza pianeta-stella d sembra dipendere solo dalle proprietà della stella centrale (raggio R S, temperatura superficiale T S ), mentre dipende anche dall albedo a e dall emissività media del pianeta: T P = 4 1 a ε R S 2d T S ESEMPIO. Terra, senza atmosfera: a = 0.38, = 0.96 T P 250 K = 23 C! ( eff = 0.615)

49 Utilizzando i dati terrestri effettivi (a = 0.38, = 0.615), invertendo la relazione per isolare d d = R S 2 1 a ε T S T p 2 ed imponendo che la temperatura del pianeta sia compresa tra +5 C (278 K) e +55 C (328 K), otteniamo le espressioni per i limiti della fascia di abitabilità in funzione dei parametri stellari R e T: d INF = ( R ) T 2 R SOLE d SUP = ( ) R R SOLE T 2 espressi in Unità Astronomiche (AU).

50 Tipi di stelle: 1) il colore (temperatura) O B A F G K M < 3500 C C C C 7500 C 6000 C 5000 C

51 Tipi di stelle: 2) la luminosità (raggio) giganti subgiganti subnane nane supergiganti

52 Classe spettrale R / R SOLE T (K) d INF (AU) d SUP (AU) O B B A F G K M

53 Limiti della definizione classica 3) il criterio di base è legato all acqua. Ma acqua pura o acqua come solvente di soluzioni saline? 4) non tiene conto della distribuzione spettrale dell energia che arriva sui pianeti della zona di abitabilità; 5) non tiene conto dell evoluzione della stella centrale, rapportata ai tempi necessarie per lo sviluppo della vita; 6) non tiene conto della stabilità della stella centrale; 7) non tiene conto di fattori esterni che possono compromettere lo sviluppo della vita pur in una zona abitabile circumstellare (zone di abitabilità galattica).

54 Le (strane) proprietà dell acqua solida

55 Flusso di potenza (W m -2 ) Conseguenze sulla fascia di abitabilità C C 6000 C 3000 C UV Vis IR Lunghezza d onda (Angstrom)

56 La relazione massa-luminosità ed il tempo di vita di una stella (in sequenza principale) L M, > 0 E M T = E/L M 1

57 FASCIA DI ABITABILITÀ? 1) Stelle blu = intense radiazioni ionizzanti 2) Stelle rosse = energia radiante forse insufficiente 3) Stelle gialle (di tipo solare ): forse OK Tuttavia: a) Stelle grandi (massicce): vivono molto poco b) Stelle piccole: energia radiante forse insufficiente c) Stelle variabili: sbalzi radiativi possibilmente letali

58 Zona di abitabilità galattica

59 I MAGGIORI limiti della definizione classica 8) la fonte di energia è di tipo radiativo (stella centrale) e l intera teoria si sviluppa intorno all equilibrio radiativo; 9) si basa sulla vita per come la conosciamo noi, ovvero basata sulla chimica del carbonio.

60 Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare (oltre la Terra)?

61 Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare (oltre la Terra)?

62 La chimica della vita C H N O P S carbonio idrogeno azoto ossigeno fosforo zolfo La base è l ACQUA. Unica?

63 Acqua e altri solventi organici Specie Formula chimica T fus ( C) T ebo ( C) T min,f.a. ( C) T max,f.a. ( C) Acqua H 2 O Metano CH Ammoniaca NH Metanolo CH 3 OH

64 Classe O5, R=18 R SOLE, T=38000 K Acqua Metano Ammoniaca Metanolo Classe A0, R=2.5 R SOLE, T=10800 K Acqua Metano Ammoniaca Metanolo Classe G2, R=R SOLE, T=5777 K Acqua Metano Ammoniaca Metanolo Classe M0, R=0.63 R SOLE, T=3920 K Acqua Metano Ammoniaca Metanolo

65 EQUAZIONE DI DRAKE (1961) N = N s f p n e f l f i f c f L N s = numero di stelle nella Via Lattea f p = frazione di stelle con pianeti n e = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita f l = frazione di pianeti n e che ha effettivamente sviluppato la vita f i = frazione di pianeti f l su cui si sono evoluti esseri intelligenti f c = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare f L = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà evoluta

66 N = N s f p n e f l f i f c f L

67 N = N s f p n e f l f i f c f L

68 L EQUAZIONE DI DRAKE N = N s f p n e f l f i f c f L ESEMPIO N s = numero di stelle nella Via Lattea f p = frazione di stelle con pianeti n e = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita f l = frazione di pianeti n e che ha effettivamente sviluppato la vita f i = frazione di pianeti f l su cui si sono evoluti esseri intelligenti f c = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare f L = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà evoluta Paradosso di Fermi 200 miliardi 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2 1 milionesimo ( anni) N = 1000

69 Una spiegazione del paradosso di Fermi. Le grandi distanze astronomiche (150 Km/h) 2560 ore > 3 mesi (1000 Km/h) 384 ore = 16 giorni

70 Terra Sole = 150 milioni di Km = 1 Unità Astronomica (UA) > 114 anni > 17 anni Terra Giove = 5,2-1 UA = 4,2 UA = 630 milioni di Km 480 anni 71 anni Terra Alfa Centauri UA miliardi di Km...!!!...!!!

71 IL PROBLEMA DELLA COMUNICAZIONE M13

72 Le grandi distanze e il problema della comunicazione. inizio fine Civiltà 1 PIANETA 1 t d PIANETA 2 Civiltà 2 t t = d / c

73 S E T I

74 ?

75 La via opposta a Drake Ipotesi della «rarità della Terra» Ward & Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe, Copernicus (Springer-Verlag), New York, 2000 (336 p.)

76 L «equazione della rarità della Terra» N = N s f p n e f pm f g f i f c f L f m f j f me N s = numero di stelle nella Via Lattea n e = numero medio di pianeti, per sistema, nella zona abitabile stellare f g = frazione di stelle nella zona di abitabilità galattica f p = frazione di stelle con pianeti f pm = frazione di pianeti rocciosi (non gassosi) f i = frazione di pianeti con forme di vita elementare f c = frazione di pianeti con forme di vita complesse f l = frazione della vita del pianeta in cui è presente una forma di vita complessa f m = frazione di pianeti abitabili con un grande satellite (come la Luna) f j = frazione di sistemi con pianeti giganti f me = frazione di pianeti ove siano accadute poche estinzioni di massa

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80 I limiti delle «equazioni della vita» Se l equazione di Drake appare molto ottimista e quella della rarità della Terra è, al contrario, estremamente pessimista, va però detto che quest ultima accoglie fattori che Drake non ha considerato negli anni 60, quali la zona di abitabilità galattica, i fattori stabilizzanti della Terra (l azione della Luna e le perturbazioni secolari dei pianeti giganti) e, in ultimo, la «tranquillità» del sistema planetario, che evidentemente non deve essere eccessivamente ricco di elevati fattori di rischio estinzione per la vita. Tuttavia nessuna delle due considera, ad esempio, la possibilità che la vita si sviluppi in pianeti dalla densa atmosfera, o su satelliti rocciosi di pianeti, anche al di fuori della fascia di abitabilità. Una versione migliorata dovrebbe, ad esempio, non considerare solo i «pianeti», ma tutti i corpi che appartengono al sistema planetario e che, per un motivo o per l altro, siano caratterizzati da abitabilità.

81 e le nostre conoscenze limitate sul fenomeno «vita» Qual è l elemento chimico VERAMENTE fondamentale per la vita?

82 L importanza del FOSFORO nei processi vitali Adenina Timina Citosina Guanina Scheletro formato da blocchi di 2-deossiribosio giunti da gruppi fosfato

83 L importanza del FOSFORO nei processi vitali Il «ponte» dei gruppi fosfato si basa su un legame particolare, detto legame fosfodiesterico. Solo il fosforo, per le sue caratteristiche fisiche di valenza ed elettronegatività, è in grado di assicurare questo legame!

84 Il fosforo (e quindi la vita) portato sulla Terra dai meteoriti?

85 CONCLUSIONI 1) La ricerca di pianeti extrasolari e, fra questi, di pianeti che ospitano forme di vita, è una scienza molto giovane. 2) Essa appare tuttavia estremamente promettente e soprattutto di enorme valenza interdisciplinare. 3) La ricerca della vita richiede infatti conoscenze di meccanica celeste, termodinamica, fluidodinamica, astrfisica stellare e galattica, planetologia, geologia e meteorologia planetaria, chimica, biologia, astrobiologia. 4) Né vanno ignorate le implicazioni culturali in senso più ampio, ad esempio filosofiche, antropologiche, religiose, che vengono aperte dalla prospettiva che si scoprano forme di vita aliene. LA RICERCA PROSEGUE, A TUTTO CAMPO!