Agli estremi confini della scienza: I pianeti extrasolari Anna Cinzia Marra.

Agli estremi confini della scienza:

I pianeti extrasolari

Anna Cinzia Marra

Lecce, 17 marzo 2005Lecce, 17 marzo 2005I pianeti extrasolariI pianeti extrasolari

Formazione del Sistema SolareFormazione del Sistema Solare


Un po’ di storiaUn po’ di storia

V-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, EpicuroV-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, Epicuro Giordano Bruno (1548-1600)Giordano Bruno (1548-1600) 1926: 1926: Amazing stories,Amazing stories, nasce la fantascienza nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard


AstrometriaAstrometria



V-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, EpicuroV-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, Epicuro Giordano Bruno (1548-1600)Giordano Bruno (1548-1600) 1926: 1926: Amazing stories,Amazing stories, nasce la fantascienza nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei

pianeti extrasolaripianeti extrasolari


Previsioni sull'osservabilità dei pianeti Previsioni sull'osservabilità dei pianeti extrasolari extrasolari The ObservatoryThe Observatory, 72, 199-200 (1952), 72, 199-200 (1952)

TRANSITI

VELOCITA' RADIALIOtto StruveOtto Struve



V-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, EpicuroV-III sec. a.C.: Leucippo, Democrito, Epicuro Giordano Bruno (1548-1600)Giordano Bruno (1548-1600) 1926: 1926: Amazing stories,Amazing stories, nasce la fantascienza nasce la fantascienza 1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard1930: Peter van de Kamp e la stella di Barnard 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei 1952: Otto Struve e le previsioni sull’osservabilità dei

pianeti extrasolaripianeti extrasolari 1992: Wolszczan & Frail: pianeti di tipo terrestre in orbita 1992: Wolszczan & Frail: pianeti di tipo terrestre in orbita

intorno alla pulsar PSR 1257+12intorno alla pulsar PSR 1257+12 1995: Mayor & Queloz (Osservatorio di Ginevra): pianeta 1995: Mayor & Queloz (Osservatorio di Ginevra): pianeta

di tipo gioviano intorno alla stella 51Pegasidi tipo gioviano intorno alla stella 51Pegasi


Definizione di pianetaDefinizione di pianeta

Massa: compresa tra la massa di Plutone e 10 MMassa: compresa tra la massa di Plutone e 10 MJupJup

Formazione: per accumulazione di particelle in un disco di Formazione: per accumulazione di particelle in un disco di polvere e non per condensazione da nubi gassose, come polvere e non per condensazione da nubi gassose, come le stelle le stelle

Tipo: terrestre o giovianoTipo: terrestre o gioviano

Che cosa fa di un oggetto celeste un pianeta?Che cosa fa di un oggetto celeste un pianeta?


I dischi circumstellariI dischi circumstellari

Fin dal 1984 si sa che Beta Pictoris, una stella poco più Fin dal 1984 si sa che Beta Pictoris, una stella poco più calda del Sole e distante 50 anni luce, è circondata da un calda del Sole e distante 50 anni luce, è circondata da un disco di polvere.disco di polvere.


Tecniche di rivelazioneTecniche di rivelazione


Ritardo temporale delle PulsarRitardo temporale delle Pulsar

Le pulsar sono stelle Le pulsar sono stelle collassate che ruotano su collassate che ruotano su se stesse in modo se stesse in modo estremamente veloce, estremamente veloce, anche più volte al anche più volte al secondo, emettendo, secondo, emettendo, come fari cosmici, fasci di come fari cosmici, fasci di onde radio molto collimati onde radio molto collimati e a intervalli di tempo e a intervalli di tempo straordinariamente straordinariamente precisi, lungo i loro assi precisi, lungo i loro assi magnetici. magnetici.


PSR 1257+12

Successivamente si è scoperto che anche intorno allSuccessivamente si è scoperto che anche intorno alla pulsar a pulsar PSR B1620-26 orbiterebbe un pianeta.PSR B1620-26 orbiterebbe un pianeta.

98.2298.220.470.472.8 2.8

66.5466.540.360.363.4 3.4

25.34 25.34 0.190.190.0150.015

Periodo orbitale Periodo orbitale (giorni)(giorni)

Distanza Distanza (UA)(UA)

Massa Massa (M(MTT))


Ostacoli all’osservazione direttaOstacoli all’osservazione diretta L’osservazione diretta è L’osservazione diretta è

l’unico modo per cercare di l’unico modo per cercare di determinare la determinare la composizione di un pianetacomposizione di un pianeta

Ma tutti i pianeti extrasolari Ma tutti i pianeti extrasolari noti sono impossibili da noti sono impossibili da vedere con le tecniche vedere con le tecniche attualmente a nostra attualmente a nostra disposizione (neppure disposizione (neppure l’Hubble è in grado di l’Hubble è in grado di vederli!)vederli!)

Ci sono due motivi: Ci sono due motivi: – I pianeti noti hanno orbite molto I pianeti noti hanno orbite molto

vicine alla stellavicine alla stella La maggior parte hanno orbite La maggior parte hanno orbite

più piccole di quella di Mercurio!più piccole di quella di Mercurio! La separazione angolare tra il La separazione angolare tra il

Sole e Giove sarebbe di appena Sole e Giove sarebbe di appena 1 arcsec già a 5 pc!1 arcsec già a 5 pc!

– I pianeti noti sono troppo deboli I pianeti noti sono troppo deboli Giove, per esempio, è più di un Giove, per esempio, è più di un

miliardo di volte meno luminoso miliardo di volte meno luminoso del Soledel Sole

TMR-1C nel ToroTMR-1C nel Toro


Effetto DopplerEffetto Doppler


Misure di velocità radialiMisure di velocità radiali

Velocità radiali


Misure di velocità radialiMisure di velocità radiali


LimitazioniLimitazioni

La massa che si può calcolare è la minima massa di un La massa che si può calcolare è la minima massa di un pianeta necessaria per creare lo shift osservato, che coincide pianeta necessaria per creare lo shift osservato, che coincide con la massa effettiva solo se il piano dell’orbita è con la massa effettiva solo se il piano dell’orbita è perpendicolare al piano del cielo. perpendicolare al piano del cielo. L’effetto di Giove sul Sole è di 12.5 m/s, mentre quello della L’effetto di Giove sul Sole è di 12.5 m/s, mentre quello della Terra è di 0.1 m/s.Terra è di 0.1 m/s. Con gli attuali strumenti, possiamo Con gli attuali strumenti, possiamo misurare velocità di 3 (o al meglio 1) m/s. misurare velocità di 3 (o al meglio 1) m/s. Tale limite rende estremamente difficile individuare, con Tale limite rende estremamente difficile individuare, con questo metodo, pianeti di tipo terrestre.questo metodo, pianeti di tipo terrestre.

Finora con questo metodo sono stati individuati più di 120 Finora con questo metodo sono stati individuati più di 120 pianeti di tipo gioviano. pianeti di tipo gioviano.


51 Pegasi51 Pegasi

Il primo pianeta extrasolare in orbita Il primo pianeta extrasolare in orbita intorno ad una stella “normale” è intorno ad una stella “normale” è stato scoperto da stato scoperto da Mayor & Queloz Mayor & Queloz nel 1995 intorno alla stella 51 Pegasi.nel 1995 intorno alla stella 51 Pegasi.

Questa stella è una Questa stella è una G5V, con proprietà G5V, con proprietà simili al nostro Sole.simili al nostro Sole.

51 Pegasi

Rp 0.05 UA

P 4.2 giorni

MP 0.47-0.6 MJup

e 0


TransitiTransiti

Nel caso (raro) in cui l’orbita del pianeta passi davanti al disco Nel caso (raro) in cui l’orbita del pianeta passi davanti al disco della stella, potrebbe verificarsi un’eclisse, registrabile come una della stella, potrebbe verificarsi un’eclisse, registrabile come una piccolissima variazione di luce.piccolissima variazione di luce.


Il transito di un pianeta, già scoperto intorno alla stella Il transito di un pianeta, già scoperto intorno alla stella HD209458 con il metodo delle velocità radiali, è stato poi HD209458 con il metodo delle velocità radiali, è stato poi osservato nel 1999 all’istante previsto. osservato nel 1999 all’istante previsto.

TransitiTransiti


TransitiTransiti

VantaggiVantaggi Transito di un pianeta Transito di un pianeta come Giove: come Giove: L=1% L=1% (telescopio di 1 m)(telescopio di 1 m)

Pianeti a grande distanza Pianeti a grande distanza dalla stella (al contrario del dalla stella (al contrario del metodo delle velocità metodo delle velocità radiali)radiali)

SvantaggiSvantaggi

Transito di un pianeta Transito di un pianeta come la Terra: come la Terra: L=0.01% L=0.01% (nessun telescopio)(nessun telescopio)

Se aumenta la distanza Se aumenta la distanza stella-pianeta, ci sono stella-pianeta, ci sono meno probabilità di meno probabilità di osservare l’allineamento osservare l’allineamento utileutile


Microlensing GravitazionaleMicrolensing Gravitazionale

Idea di base: una stella che passa davanti ad una stella Idea di base: una stella che passa davanti ad una stella più distante agisce da lente nei confronti della stella più distante agisce da lente nei confronti della stella lontana. lontana.

Albert Einstein aveva previsto questo effetto nella sua Albert Einstein aveva previsto questo effetto nella sua teoria della relatività generale: il campo gravitazionale teoria della relatività generale: il campo gravitazionale della stella in primo piano piega e focalizza la luce, proprio della stella in primo piano piega e focalizza la luce, proprio come farebbe una lente di vetro ricurva.come farebbe una lente di vetro ricurva.



Un pianeta che orbita intorno alla Un pianeta che orbita intorno alla stella lente lascerà una traccia stella lente lascerà una traccia caratteristica nel profilo di caratteristica nel profilo di luminosità della stella.luminosità della stella.

Microlensing1

Con questo metodo è possibile Con questo metodo è possibile rivelare la presenza di pianeti rivelare la presenza di pianeti moderatamente massicci (poco moderatamente massicci (poco più della Terra) in sistemi molto più della Terra) in sistemi molto lontani (distanze dell’ordine di 10 lontani (distanze dell’ordine di 10 kpc)kpc)



Recentemente è stato scoperto il primo pianeta utilizzando Recentemente è stato scoperto il primo pianeta utilizzando questa tecnica, grazie ad una cooperazione tra due team di questa tecnica, grazie ad una cooperazione tra due team di ricerca internazionali: Microlensing Observations in ricerca internazionali: Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) e Optical Gravitational Lensing Astrophysics (MOA) e Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE). I risultati di questo lavoro sono stati Experiment (OGLE). I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati in Astrophysical Journal Letters di Maggio 2004.pubblicati in Astrophysical Journal Letters di Maggio 2004.Il pianeta orbiterebbe a 3 UA da una stella della costellazione Il pianeta orbiterebbe a 3 UA da una stella della costellazione del Sagittario a 17000 anni luce di distanza da noi e avrebbe del Sagittario a 17000 anni luce di distanza da noi e avrebbe una massa pari a 1.5 Muna massa pari a 1.5 MJupJup. Il sistema stella-pianeta fa da . Il sistema stella-pianeta fa da lente ad una stella a 24000 anni luce di distanza, vicino al lente ad una stella a 24000 anni luce di distanza, vicino al centro della Via Lattea.centro della Via Lattea. Microlensing2Microlensing2 Microlensing3Microlensing3


Il primo possibile pianeta terrestreIl primo possibile pianeta terrestre


Una visione d’insiemeUna visione d’insieme

2000

2005


Alcuni numeri …Alcuni numeri …

136 pianeti scoperti o confermati con le misurazioni delle velocità radiali136 pianeti scoperti o confermati con le misurazioni delle velocità radiali 1 sistema con 4 pianeti, 2 con 3 pianeti, 13 con 2 pianeti, 99 pianeti 1 sistema con 4 pianeti, 2 con 3 pianeti, 13 con 2 pianeti, 99 pianeti

singoli ma in molti sistemi le misurazioni sembrano indicare la presenza di singoli ma in molti sistemi le misurazioni sembrano indicare la presenza di altri pianeti di lungo periodoaltri pianeti di lungo periodo

7 pianeti che occultano la propria stella7 pianeti che occultano la propria stella 1 pianeta direttamente osservato 2M1207 b (?)1 pianeta direttamente osservato 2M1207 b (?) Il pianeta più piccolo ha una massa di 14 MIl pianeta più piccolo ha una massa di 14 MTT, il più grande ha una massa , il più grande ha una massa

di circa 13 Mdi circa 13 MJupJup (4120 M (4120 MTT)) I periodi orbitali vanno da circa 1.3 giorni a oltre 10 anniI periodi orbitali vanno da circa 1.3 giorni a oltre 10 anni 14 stelle binarie ospitano pianeti: 1 sistema con 3 pianeti (14 stelle binarie ospitano pianeti: 1 sistema con 3 pianeti (

Andromedae) e 1 con 4 pianeti (55 Cnc)Andromedae) e 1 con 4 pianeti (55 Cnc) Esiste 1 pianeta che orbita attorno alle sue due stelle.Esiste 1 pianeta che orbita attorno alle sue due stelle.


Caratteristiche generaliCaratteristiche generali



Terra Giove



I pianeti extrasolari, al contrario di quelli del Sistema I pianeti extrasolari, al contrario di quelli del Sistema Solare, sono in orbite tipicamente eccentriche.Solare, sono in orbite tipicamente eccentriche.


Un sistema di pianeti gigantiUn sistema di pianeti gigantiGli astronomi Marcy e Butler hanno individuato nel 1999 il primo Gli astronomi Marcy e Butler hanno individuato nel 1999 il primo sistema multiplo: un sistema di tre pianeti di tipo gioviano in orbita sistema multiplo: un sistema di tre pianeti di tipo gioviano in orbita intorno alla stella Upsilon Andromedae.intorno alla stella Upsilon Andromedae.

Pianeti di tipo gioviano Pianeti di tipo gioviano su orbite molto vicine su orbite molto vicine alla stella non sono alla stella non sono compatibili con il compatibili con il modello di formazione modello di formazione del nucleo per del nucleo per accumulazione di accumulazione di planetesimi! planetesimi! MODELLO MODELLO STANDARD IN CRISISTANDARD IN CRISI


Problemi apertiProblemi aperti

La maggior parte dei pianeti La maggior parte dei pianeti finora scoperti hanno masse finora scoperti hanno masse grandi e orbite molto strettegrandi e orbite molto strette

- Come può un pianeta gioviano - Come può un pianeta gioviano formarsi così vicino alla sua formarsi così vicino alla sua stella?stella?

- Questi pianeti migrano - Questi pianeti migrano all’interno dal sistema ad un all’interno dal sistema ad un certo punto della loro vita?certo punto della loro vita?


Osservazioni futureOsservazioni future

Osservazioni dirette nel vicino infrarosso (NGST, VLT Osservazioni dirette nel vicino infrarosso (NGST, VLT Planet Finder, OWL)Planet Finder, OWL)

Misurazioni astrometriche (VLTI)Misurazioni astrometriche (VLTI)Nulling interferometry (Darwin, TPF)Nulling interferometry (Darwin, TPF)Rilevazioni coronografiche (TPFC)Rilevazioni coronografiche (TPFC)Campagne di ricerca di transiti (Kepler, Corot)Campagne di ricerca di transiti (Kepler, Corot)

Scoperta di pianeti terrestri (rocciosi)Scoperta di pianeti terrestri (rocciosi)Statistica sull’abbondanza di pianeti nella GalassiaStatistica sull’abbondanza di pianeti nella GalassiaRicerca di vita su altri pianetiRicerca di vita su altri pianeti


ConclusioneConclusione

“L'astronomia ha subito tre grandi rivoluzioni negli scorsi quattrocento anni. La prima fu quella copernicana, che spostò la Terra dal centro del sistema solare e la collocò a 150 milioni di chilometri da esso; la seconda avvenne tra il 1920 e il 1930 quando, in seguito al lavoro di Harlow Shapley e R. J. Trumpler, ci accorgemmo che il sistema solare non è al centro della via Lattea, ma a circa 30000 anni-luce da questo, in un braccio a spirale relativamente poco definito; la terza rivoluzione sta avvenendo ora e, lo vogliamo o no, dobbiamo prendervi parte. E' questa la rivoluzione racchiusa nella domanda: siamo soli nell'Universo?“ (Otto Struve)

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