I METODI PER RILEVARE I PIANETI EXTRASOLARI - Parte 1

L’osservazione dei pianeti extrasolari pone sfide molto ardue. Infatti, quello che si vuole osservare è un corpo piccolissimo rispetto alla stella attorno a cui orbita.

Se immaginassimo di schiacciare il Sole, che ha un diametro di 1 392 000 chilometri, fino a farlo diventare un’arancia di 10 centimetri, in questa scala la Terra diventerebbe un granellino di sabbia di 1 millimetro di diametro posta ad una distanza di 10 metri dall’arancia-Sole.

La Luna diventerebbe ancora più insignificante della Terra; Giove sarebbe una pallina da calcetto di un centimetro di diametro posto a 50 metri di distanza dal Sole. Nettuno, l’ultimo pianeta del nostro Sistema Solare, avrebbe una dimensione di 3,2 millimetri a 300 metri di distanza dalla stella.

Quindi, cercare pianeti extrasolari attorno a una stella diversa dal Sole e’ come pensare di individuare un granellino di sabbia di fronte a un’arancia a migliaia di chilometri di distanza.

LA DIFFICOLTA’ NEL TROVARE PIANETI ATTORNO AD ALTRE STELLE

I pianeti extrasolari sono piccoli, poco luminosi e riflettono la luce della loro stella. In più sono prospetticamente a lei vicini.

LA DIFFICOLTÀ NEL TROVARE PIANETI ATTORNO AD ALTRE STELLE

L’immagine diretta (o direct imaging) permette di avere in una sola osservazione, se il campo di vista dello strumento è grande abbastanza, l’immagine del sistema planetario. La situazione in realtà sembra semplice, ma non lo è affatto ed a complicarla sono due cose fondamentali: la risoluzione angolare del telescopio ed il contrasto di luminosità fra la stella e il pianeta.

La risoluzione angolare del telescopio è legata alla distanza della stella che vogliamo osservare, a quanto è prossimo ad essa il compagno di piccola massa che vogliamo rilevare e al telescopio che abbiamo a disposizione per l’osservazione.

LA DIFFICOLTÀ NEL TROVARE PIANETI ATTORNO AD ALTRE STELLE

Il contrasto di luminosità tra la stella ed il compagno può essere dell’ordine di 10-6 per pianeti giganti con luminosità propria cioè pianeti giovani che sono ancora nella fase di contrazione gravitazionale e all’inizio della sequenza di raffreddamento, ma può arrivare a valori più bassi come 10-8, 10-9 per pianeti freddi che ormai riflettono solo la luminosità della stella.

Osservare un pianeta delle dimensioni di Giove ad una distanza di 5 UA (quanto lo e’ Giove nel nostro Sistema Solare) attorno ad una stella lontana 32 anni-luce, e’ possibile solo per grandi telescopi (8-10 m) una volta superato il problema del seeing atmosferico che allarga la distribuzione dei fotoni della luce incidente sul piano focale del telescopio.

Esiste una soluzione a questo problema del seeing che è l’uso di moduli di ottica adattiva che correggono il fronte d’onda riportando l’immagine della stella a dimensioni molto vicine a quelle dell’immagine di diffrazione.

Inoltre, bisogna tener conto della grande diversità di emissione di energia luminosa tra il pianeta e la stella, detto contrasto di luminosità.

DIRECT IMAGING: SISTEMA PLANETARIO 2M1207

Il problema e la sfida dell’immagine diretta è superare i limiti imposti da queste problematiche trovando tecniche che non solo permettano di sfruttare la risoluzione angolare dello strumento (moduli di ottica adattiva), ma anche di ridurre l’influenza dell’intensità del picco di luminosità dell’immagine della stella (coronografia) e di rimuovere o controllare le fonti di rumore in modo da riuscire a visualizzare le zone più vicine alla stella stessa, senza però cancellare il segnale del compagno.

In questo l’uso di coronografi permette di ridurre il picco di luminosità dell’immagine stellare.

Nell’aprile 2004 attorno a questa stella è stato scoperto un pianeta, denominato 2M1207 b, grazie al Very Large Telescope (VLT) all’Osservatorio Paranal in Cile e confermato successivamente da immagini dell’Hubble Space Telescope, oltre che da ulteriori immagini del VLT.

Il punto color magenta è il pianeta extrasolare, di massa pari a ben 5 volte quella di Giove a una distanza dalla sua stella madre di circa 55 UA, circa la distanza massima di Plutone dal Sole nel nostro Sistema Solare.

IMMAGINE DIRETTA: KEPLER-70 b e c

Kepler-70 e’ uno dei due sistemi planetari multipli (ossia formato da più di una stella) osservato con l’immagine diretta.

E’ formato da due Super-Terre orbitanti una stella che ha superato la fase di gigante rossa.

Scoperti entrambe nel 2011, Kepler-70 b ha una massa pari a 0,014 volte la massa di Giove e raggio 0,07 quello gioviano. Impiega 0,2 giorni per descrivere un'orbita attorno alla stella.

Kepler-70c ha una massa più piccola, pari a 0,0021 masse gioviane anche se raggio confrontabile con l’altro pianeta. Orbita in 0,3 giorni.

Il sistema planetario HR 8799 è stato il primo sistema di quattro pianeti e anche l’unico (almeno fino ad oggi) scoperto col “metodo diretto”.

Per alcuni di questi pianeti (indicati con le lettere b, c, d, e) è stato possibile calcolare il periodo orbitale in anni terrestri (indicati con la parola year e abbreviata in yr, dall’inglese): HR 8799 b orbita in 460 anni attorno alla stella, HR 8799 c in 190 anni e HR 8799 d in 100 anni. Il periodo orbitale di HR 8799 e non è noto.

IMMAGINE DIRETTA: HR 8799 b, c, d, e

I tre pianeti più esterni del sistema planetario HR 8799, indicati con le lettere b, c, d, sono stati scoperti insieme nel 2008 mentre il quarto, più interno e indicato dalla lettera e, è stato scoperto successivamente, nel 2009 (si veda la freccia).

CONFRONTO TRA IL NOSTRO SISTEMA SOLARE (IN ALTO) E QUELLO DI HR 8799 (SOTTO). Le distanze sono indicate in AU, unità astronomica, che rappresenta l’unità di misura standard per le distanze planetarie, pari a circa 150 milioni di chilometri: la distanza media Terra-Sole.

I primi tre pianeti sono indicati con le lettere b, c, d (la lettera “a” viene riservata alla stella): come si osserva, la classificazione parte dal pianeta più esterno e si va verso l’interno del sistema, dove si incontra il quarto pianeta scoperto, quello meno luminoso, indicato con la lettera “e”.

IL SISTEMA PLANETARIO HR 8799

Caratteristiche dei pianeti: HR 8799 b distanza dal Sole: 68 UA, massa: 7 masse giovianeHR 8799 c distanza dal Sole: 43 UA, massa: 10 masse giovianeHR 8799 d distanza dal Sole: 27 UA, massa: 10 masse giovianeHR 8799 e distanza dal Sole: 14,5 UA, massa: 9 masse gioviane 1 UA è la distanza della Terra dal Sole, pari a circa 150 milioni di chilometri.

La stella HR 8799 è circa 1,5 volte le dimensioni del nostro Sole e cinque volte più luminoso. Ha un’età di 30 milioni di anni, quindi è estremamente giovane. Il sistema si trova a 130 anni-luce di distanza dalla Terra.

Fino ad oggi sono stati osservati con il metodo dell’immagine diretta meno del 3 percento dei pianeti extrasolari scoperti e solo in due casi sono stati osservati sistemi multipli: Kepler 70 (b e c) e HR8799 (b, c, d ed e).

I METODI PER RILEVARE I PIANETI EXTRASOLARI – PARTE 1

IL TEAM:GAPS SCIENCE TEAM

SABRINA MASIERO, INAF - OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI PADOVA E FGG-TELESCOPIO NAZIONALE GALILEO

CATERINA BOCCATO, INAF - OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI PADOVA

RICCARDO CLAUDI, INAF- OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI PADOVA

GLORIA ANDREUZZI, FGG-TELESCOIPIO NAZIONALAE GALILEO E INAF – OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI ROMA

EMILIO MOLINARI (DIRETTORE DEL TNG), FGG – TELESCOPIO NAZIONALE GALILEO E INAF – IAFS, MILANO

Fonti:Claudi R., Alcalá J.M., Covino E., Desidera S., Gratton R., Marzari F., Piotto G., Tomasella L., La ricerca di pianeti extrasolari, allegato al n. 28-aprile 2005 di Le StelleG. Chauvin, A.-M. Lagrange, C. Dumas, B. Zuckerman, D. Mouillet, I. Song, J.-L. Beuzit e P. Lowrance, A giant planet candidate near a young brown dwarf, A&A 425, L29-L32 (2004), http://www.aanda.org/articles/aa/abs/2004/38/aagg222/aagg222.html

Immagini:diapositiva1: American Museum of Natural History, California Institute of Technology e John Hopkins Universitydiapositiva 2 : rappresentazione artistica di un sistema planetario, http://futurefunk.files.wordpress.com/2010/08/big-planet-zoom.jpgdiapositiva 3 e 4: Rappresentazione artistica di un sistema planetario. Crediti: NASA/JPL/Caltechdiapositiva 5: ESO - http://www.eso.org/public/images/26a_big-vlt/diapositiva 6: Rappresentazione artistica di Kepler-62f. Crediti: NASA/JPL/Caltech.diapositiva 7: sistema HD 8799 - NASA, ESA, and A. Feild (STScI). Science Credit: NASA, ESA, and R. Soummer (STScI)diapositiva 8: : Christian Marois,B. Zuckerman,Quinn M. Konopacky,Bruce Macintosh& Travis Barman, Nature 468, 1080–1083 (23 December 2010) doi:10.1038/nature09684, http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7327/fig_tab/nature09684_F4.htmldiapositiva 9: Christian Marois,B. Zuckerman,Quinn M. Konopacky,Bruce Macintosh& Travis Barman, Nature 468, 1080–1083 (23 December 2010) doi:10.1038/nature09684, http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7327/fig_tab/nature09684_F4.htmldiapositiva 10 : sistema HD 8799, NASA, ESA, and A. Feild (STScI). Science Credit: NASA, ESA, and R. Soummer (STScI) diapositive 11 e 12 : Lynette Cook / Gemini Observatorydiapositiva 13: rappresentazione artistica di Kepler 16-b, NASA