I pianeti extrasolari

G. Cutispotogcutispoto@oact.inaf.it

INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania

XVI Scuola Estiva di Astronomia Stilo (RC) - 29 Giugno 2011

Il Sistema SolareSolePianeti - Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno

Corpi Minori - Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete

Distribuzione della massa: Sole: 99.85 % Pianeti: 0.13 % CM: 0.02%

Distanza dal Sole: Mercurio: 0.39 UA Terra: 1 UA Giove: 5.20 UA

Periodi orbitali: Mercurio = 88 giorni Terra = 1 anno Giove = 11.86 anni

Il Sole è molto piùgrande dei pianeti

Terra

Sole

Il raggio del Sole è 109 volte il raggio della Terra

Il volume del Sole è 1.300.000 volte il volume della Terra

Raggio del Sole = 696.000 km

Giove

Le orbite dei pianeti

Sole

Mercurio

Venere

Terra

MarteGiove

Nettuno

Saturno

Urano

149.597.870 km = 1 UA

Nettuno: 30.1 UAEris: 97.6 UA

Il Sole si è formato a seguito dellacontrazione di una “Nube Molecolare”(probabilmente causata dall’esplosionedi una “Supernova”)

Origine del Sistema Solare

Contrazione del Sole inizio: 4.6 miliardi di anni fa durata: ~ 100000 anni

Intorno al Sole si formò un disco dimateria a partire dal quale, in circa 100milioni di anni, si formarono i pianeti e icorpi minori

Esistono altri Sistemi Solari ?

E’ un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico

Le prime intuizioni sulla “pluralità dei mondi”, e sull’esistenza di vitaintelligente su altre “terre”, risalgono alla civiltà ellenistica(Aristarco, Democrito, Epicuro: “Esistono infiniti mondi sia uguali che diversidal nostro. Dobbiamo credere che in tutti questi mondi esistono creature viventi e

piante e le tante altre cose che vediamo in questo mondo” )

Ma Aristotele disse: “Non può esistere che un solo mondo”

Oggi sappiamo che la Via Lattea contiene circa 200 miliardi di stelle e chenell’Universo esistono almeno 100 miliardi di galassie

Nel 1584 Giordano Bruno sfida le concezioni filosofiche e religiosedell’epoca riproponendo l’idea di altri pianeti abitati (“Esistonoinnumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli […] Vediamo solo lestelle perché sono i corpi più grandi e sono luminosi, mentre i loro pianeti rimangonoinvisibili perché sono più piccoli e non luminosi. Gli altri mondi nell’Universo non sono népeggiori né meno abitati della nostra Terra’’)

Stelle, Nane Brune, Pianeti

Le “Stelle” generano energia nel loro interno tramite reazioni difusione (“bruciamento”) nucleare

La temperatura al centro di una stella aumenta con la sua massa

Per il “bruciamento” dell’Idrogeno è necessaria una temperatura dialmeno 10•106 K, mentre il “bruciamento” del Deuterio ha luogo ad unatemperatura più bassa ( 106 K)

“Pianeti”: corpi con M < 13·MGiove

- non possono produrre energia per mezzo di reazioni nucleari

“Stelle”: corpi con M > 0.08·MSole (Tnucleo > 10 · 106 K)

- riescono a “bruciare” l’Idrogeno (0.08·MSole 85·MGiove)

“Nane Brune”: corpi con 0.012·MSole < M < 0.08·MSole (Tnucleo ~106 K)

- possono “bruciare” solo il Deuterio (0.012·MSole 13·MGiove)

Le nane brune (Brown Dwarf) sono “l’anello di congiunzione” tra lestelle e i pianeti

Limite di bruciamentodel Deuterio

Pianeta

M > 0.08 MSole 85 MGiove | M > 13 MGiove | M < 13 MGiove

Limite di bruciamento dell’Idrogeno

I pianeti sono “piccoli”

Non emettono luce propria

Sono vicini alla “stella madre”

Come osservare i pianeti “extrasolari” ?

L’osservazione “diretta” è estremamente difficile; fotografare unpianeta extrasolare è come cercare di vedere una candela vicino aun faro da una distanza di 1000 km !

Molto più “facile” risulta l’osservazione dei “disturbi” che lapresenza di un pianeta provoca sulla stella attorno a cui ruota

Tecniche per l’osservazionedei pianeti extrasolari

Velocità radiale

Astrometria

Transiti

Microlenti

Effetti dinamici

Effetti fotometrici

Immagini dirette

Effetto Doppler e Velocità Radiale

La radiazione di una sorgente in moto rispetto ad un osservatorerisulta “più rossa” se la sorgente si allontana, “più blu” se si avvicina

La velocità relativa sorgente–osservatore (RV) è data da: RV = c D l / lo

Se il moto è periodico osservazionispettroscopiche estese nel tempopermettono di costruire la cosiddetta“Curva di Velocità Radiale” (es. lecomponenti di un sistema binario simuovono attorno al loro centro di massa)

l osservata > lo l osservata < lo

Dl = l osservata - lo > 0 Dl = l osservata - lo < 0

Centro diMassa

Stella A

Stella B

La variazione di RV è di svariati km/s edequivale alla componente della velocità ‘’vera’lungo la ‘’linea di visuale’’

Binarie Spettroscopiche

Stella A

Stella B

Se una componente ha massa minore avrà unavariazione di RV maggiore, perché percorreràun’orbita più grande

Il periodo della curva di RV equivale al periododi rivoluzione delle due stelle attorno alcentro di massa

Dalla forma della curva di RV è possibilericavare l’eccentricità delle orbite

(Ma RVa = Mb

RVb)

Stella

Pianeta Lo spettro del pianeta non èosservabile poiché la sua radiazione èmolto minore (~10-9) di quella dellastella

La variazione di RV della stella èestremamente piccola (al massimopoche decine di m/s) e per rivelarlasono necessarie misure di altissimaprecisione

Sistemi Stella + Pianeta

La velocità misurata è inrealtà solo la componentedella velocità lungo la linea divista dell’osservatore:

Voss = Vstella sin i Direzione osservatore

i Piano orbitale

Sistemi Stella + Pianeta

K

P

Dalla curva di VelocitàRadiale si ottengono:

K: ampiezza della curva(funzione del rapporto massastella / massa pianeta e delladistanza stella – pianeta )

P: periodo di rivoluzione delpianeta attorno alla stella

Da questi valori possiamo ricavare:

la distanza stella – pianeta (terza legge di Keplero)

la velocità orbitale del pianeta

il valore minimo (MPianeta• sin i) della massa del pianeta (legge diconservazione del momento angolare)

K

P

Legge di conservazione del momento angolare: Mp = Ms Vs / Vp

Terza legge di Keplero:

a3 = P2G · Ms

4p2

Velocità orbitale:

Vp = 2pa/P

Vp =G · Ms

a

1/2

Dalle osservazioni otteniamo K (= Vs sin i) e quindi ricaviamo:

Mp sin i, ovvero il valore minimo della massa del pianeta

I valori ricavati sono ‘’in media’’ ben rappresentativi delle vere masseplanetarie; per una distribuzione casuale dell’angolo ‘’i’’ si ha infatti cheper l’87% dei casi sin i > 0.5 e solo per lo 0.5% dei casi sin i < 0.1

51 Pegasi b

Periodo = 4.23 days

Distanza da 51 Peg = 0.053 AU

Temperatura ~ 1400 K

Massa > 0.47 MGiove

Sole

51 Peg

Il primo pianeta in orbita intorno ad una stella (simileal Sole) è stato scoperto nel 1995 con il metodo dellevelocità radiali da Michel Mayor and Didier Queloz

Un risultato accolto con parecchio scetticismo da molti astronomi !!!

Il metodo delle velocità radiali è quello che ha fin qui prodotto ilmaggior numero di scoperte: 513 pianeti extrasolari

Il metodo delle RV hapermesso di identificare finoad oggi 51 sistemi multipli

AndPb = 4.6171 giorniPc = 0.7 anniPd = 3 anni

Gran parte hanno periodi orbitalimolto brevi e massa simile omaggiore a quella di Giove; se sitrovano ad una distanza dalla lorostella d ≤ 0.05 UA vengono chiamati“Hot Jupiters”

I pianeti più piccoli osservati finoad oggi con la tecnica delle RV sono:

GL 581e

M sin i ~ 0.006 MGiove ~ 1.9MTerra

CoRoT-7b

M ~ 0.015 MGiove ~ 4.8 MTerra

Pianeti con M 5 MTerra vengonochiamati “Super-Earth”

Non esistono quindi pianeti extrasolari con caratteristiche orbitali efisiche simili a quelle della Terra ?

Probabilmente (sicuramente) si, ma le “Terre” extrasolari non sono peril momento osservabili con il metodo delle RV

L’ampiezza ‘’K’’ della curva di RV risulta infatti:

K ∝ Mp ∝ 1/3

PMs2

Se osservassimo il Sole dallospazio otterremmo:KSole+Giove ~ 12.5 m/s KSole+Terra ~ 0.1 m/s

Attualmente le migliori misuredi RV hanno una precisione dipoco inferiore a 1 m/s Terra

HARPSHigh Accuracy Radial velocity Planetary Search

Spettrografo “echelle” inserito all’interno di una camera a vuoto perminimizzare gli errori dovuti a variazioni di temperatura e di pressioneatmosferica

E’ alimentato da due fibre ottiche, una registra lo spettro della stellal’altra quella di uno spettro di riferimento (Th-Ar)

Potere risolutivo: 115000Precisione: ~ 1 m/sPianeti scoperti: 75

3.6m ESO – La Silla

Caratteristiche del metodo delle RV

Permette di:

• Scoprire un grande numero di pianeti

• Identificare i sistemi multipli

• Determinare l’eccentricità delle orbite

Ma:

• Otteniamo solo il valore minimo della massa

• Sono favoriti i periodi orbitali brevi

• Fornisce (ancora) una statistica non completa

Prospettive future:

ELT – misure di RV con precisione di 1 cm/s

Stelle lontane

Stella vicinaMoto di una stella singola

Moto del centro di massa

Moto di una stella con un pianeta

Metodo astrometrico

Il moto apparente di una stella (vicina) non apparerettilineo se intono ad essa orbita un pianeta

= (M p /M s ) (a/d) [arcsec]

dove Mp è la massa del pianeta, Ms la massa della stella, a il semiasse maggiore dell’orbita in AU e d la distanza in pc

Limiti di questo metodo:• l’angolo è sempre estremamente piccolo (< 0.001 arcsec)• si può applicare solo alle stelle più vicine• richiede osservazioni su tempi “lunghi”

Moto apparente del Sole dovutoalla presenza di Giove (e degli altripianeti) osservato da una distanzadi 10 pc. La variazione dellaposizione del Sole è sempre minoredi 0.001 arcsec

Misurare un angolo di 0.001 arcsec equivale a vedere unamoneta da 1 € a 4700 km

(dalla Sicilia alla Groenlandia)

GL 876b

Mp = 1.9 – 2.4 MGiove

P = 61 giorni

a = 0.2 UA

0.005 arcsec

Ms = 0.3 MSole

D = 15 anni luce

GL 876

e Eri b Mp = 1.55 MGiove

Le dimensioni angolari diuna moneta da 1 € vista da950 km di distanza

Misure Astrometriche – il futuro

Da Terra: VLT, KeckPrecisione: 10-20 µarcsecMassa limite ~ 60 MTerra (a = 1 UA)

Una precisione di 10 µarcsec equivale avedere una moneta da 1 € sulla Luna

Dallo spazio: Space Interferometry Mission (NASA – 2011)Precisione: 2 µarcsecMassa limite ~ 6.6 MTerra (a = 1 UA)

Per stelle di tipo solare entro 10 pc

Metodo dei “transiti”

Il transito di un pianetaextrasolare non può essereosservato direttamente, maprovoca una seppur piccoladiminuzione della luminositàtotale della stella la cuiampiezza è proporzionale alledimensioni del pianeta

8 Giugno 2004, transito di Veneresul disco solare osservato a Catania

Scoperto con osservazioni daTerra (Deeg e Garrido - 0.9mSierra Nevada Telescope) nelLuglio 1999 e poi osservatodallo spazio con HST (Brownet al.)

HD 209458 bDm

Il metodo dei transiti permette di ricavare il raggio del pianeta el’angolo ‘’i’’

Dm = (Rpianeta / RStella)2

Dm = 1.7 10-2 magR = 1.347 RGiove

‘’i’’ = 86°.6

La variazione di magnitudine del Sole per un osservatore posto fuori dalSistema Solare sarebbe pari a:Dm = 8.4 10-5 mag per il transito della Terra (RTerra = 0.009 RSole)Dm = 1.1 10-2 mag per il transito di Giove (RGiove = 0.103 RSole)

La precisione delle migliori misurefotometriche da Terra è di circa10-3 mag e consente quindi dirivelare solo pianeti giganti

Solo le osservazioni dallo spaziopermetteranno di rivelare pianetidi tipo terrestre con il metodo deitransiti

Dm

La probabilità di un transito èfunzione delle dimensioni dei corpicoinvolti e della loro distanza:

P = (Rs + Rp) / a ≈ Rs / a

La durata di un transito dipendeanche dal periodo di rivoluzione delpianeta e dall’angolo ‘’i’’

T =𝑃

𝜋(𝑅𝑠 /𝑎)2 – 𝑐𝑜𝑠2 𝑖 Pianeta P T (h) Dm

Mercurio 1.2 10-2 8 1.2 10-5

Venere 6.4 10-3 11 7.6 10-5

Terra 4.7 10-3 13 8.4 10-5

Marte 3.1 10-3 16 2.4 10-5

Giove 8.9 10-4 30 1.1 10-2

Saturno 4.9 10-4 40 7.5 10-3

Urano 2.4 10-4 57 1.3 10-3

Nettuno 1.5 10-4 71 1.3 10-3

I “transiti”: osservazioni dallo spazio

COROT - CNES/ESALancio: 27 Dicembre 2006Osserverà 60.000 stelle

Questi satelliti potranno scoprire:

• > 1000 pianeti medi/giganti

• 12 ”Terre” nella “zona abitabile”

KEPLER - NASALancio: 7 Marzo 2009Osserverà 100.000 stelle

Corot26 pianeti, il più piccolo con M ~ 0.015 MGiove ~ 4.8 MTerra

Kepler17 pianeti, il più piccolo con M ~ 0.007 MGiove ~ 2.3 MTerra

Caratteristiche del metodo dei transiti

Con il metodo dei transiti (da Terra e dallo spazio) sono statiscoperti/osservati 141 pianeti (11 sistemi multipli)

Permette di:

• Scoprire pianeti con dimensioni simili a quelli della Terra

• Identificare sistemi multipli

• Rivelare la presenza di satelliti dei pianeti

Ma:

• E’ efficace solo se si osserva un grande campione di stelle (per unadistribuzione casuale delle inclinazioni ‘’i’’ in media solo un sistemaplanetario su 3000 risulta osservabile)

• Sono favoriti i periodi orbitali brevi e i pianeti più grandi

• Fornisce (ancora) una statistica non completa

Misure di RV + fotometria transito

HD 209458 b

+

MPianeta = 0.69 MGiove R = 1.347 RGiove = 0.31 g/cm3

a = 0.048 AU P = 3.5246 giorni

Nella quasi totalità dei casi un pianeta scoperto con il metodo deitransiti può essere osservato con il metodo delle RV

Metodo delle “Lenti Gravitazionali”

La forza di gravità è in grado dideflettere la luce

La luce proveniente da una sorgentelontana può essere deflessa efocalizzata se una grande massa vienea trovarsi lungo il cammino ottico trala sorgente e l’osservatore

Percorso “apparente” dellaluce proveniente da unasorgente lontana

Percorso reale della luce

Il risultato è un’amplificazionedel segnale della sorgente similea quella causata da una lente(oppure in alcuni casi una deformazionedell’immagine fino alla formazione diimmagini multiple)

Se la lente gravitazionale èuna stella (microlente) siosserverà un aumentotemporaneo della luce dellastella lontana con uncaratteristico picco

Se la lente gravitazionale è una stella con un pianeta, èpossibile osservare un picco secondario nella curva di luce

Osservatore Stella “lente” Stella lontana

pianeta

La durata dell’intensificazione luminosa principale è dialcune settimane; quella del picco secondario varia da alcunigiorni (pianeti giganti) ad alcune ore (pianeti terrestri)

OGLE-05-390L(Distanza ~ 6.600 pc )

Mstella = 0.22 MSole

MPianeta = ~ 5.4 MTerra

a ~ 2.6 UAP ~ 3800 g = 10.4 anni

Sono 10 i pianeti identificati fino ad oggi con il metododelle microlenti

Con questo metodo ci si aspetta di rilevare un pianeta condimensioni e caratteristiche orbitali simili alla Terraentro cinque anni

OGLE235-MOA53

Mstella = 0.36 MSole

MPianeta = 2 MGiove (a > 2.9 UA) Distanza = 5.200 pc

La scoperta di un secondopianeta (MPianeta = 0.007 Mstella

Distanza = 4.600 pc) è stataannunciata il 26 Maggio 2005

Sono già stati osservati circa 50eventi “microlente”Ci si aspetta di rilevare unpianeta con dimensioni simili allaTerra entro cinque anni

Permette di:

• Scoprire pianeti di tipo terrestre (tecnologie già disponibili)

• Trovare pianeti anche a grandi distanze

(s)Vantaggi del metodo delle microlenti

Ma:

• Eventi rari

• Efficace solo per studi su grandi campioni di stelle

• Le possibili scoperte sono casuali e sporadiche

• L'osservazione non può essere ripetuta

• Difficoltà di osservazione con altri metodi

Immagini dirette

E’ la tecnica più difficile ma è quella che può fornirci i risultati piùcompleti sulla fisica dei pianeti extrasolari e darci indicazione sullapresenza di processi biologici

Problemi:

• Differenza di luminosità stella-pianeta (Sole-Giove = 108)

• Separazione angolare stella-pianeta (Sole-Giove = 0’’.5 visto da 10 pc)

Vantaggi:

• Visione dell’intero sistema planetario

• Dati fisici dei pianeti Masse (dalle orbite) Temperatura e composizione chimica (dagli spettri) Raggi (dalla luminosità e dalle temperature)

Tecniche per le immagini dirette

Osservazioni IR: la differenza diluminosità Stella – Pianeta èsensibilmente ridotta

Rapporto di luminosità Sole/Terra

5500 Å

10 m

Ottica “Adattiva”: permette dieliminare gran parte dei disturbicausati dall’atmosfera terrestre edi fruttare al massimo il potererisolutivo dei grandi telescopi

Interferometria + “Nulling”: sicombina la luce raccolta da piùtelescopi per ottenere un potererisolutivo estremamente elevato

è anche possibile eliminare la luceproveniente dalla stella (“Nulling”)mettendo così in evidenza quellaproveniente dai pianeti

Ad oggi sono state ottenuteimmagini dirette di 13 pianetiextrasolari (a > 12 UA) e di unsistema multiplo

VLT: Camera IR + Ottica Adattiva2M 1207

2M 1207 a

M 0.025 Msole Età 8 106

anni

D 230 anni luce

2M 1207 b

M 4 MGiove T 1300 K

E’ 100 volte meno luminoso di2M 1207a ed è ancora in fase dicontrazione (R = 1.5 RGiove),

E’ stata rivelata

presenza di H2O

Fomalhaut b

Scoperto da HSTM = 3·MGiove

P = 878 annia = 115 U.A.

HR 8799HR 8799 eM = 9·MGiove

P = 49 annia = 14.5 U.A.

HR 8799 dM = 10 ·MGiove

P = 100 annia = 24 U.A.

HR 8799 cM = 10 ·MGiove

P = 189 annia = 38 U.A.

HR 8799 bM = 7·MGiove

P = 465 annia = 68 U.A.

Immagine ottenuta con il telescopio Keck

Immagini dirette – il futuro (più vicino)

Con JWST e ELT sarà probabilmente possibilestudiare le atmosfere delle “Super-Earth”

Da Terra sarà possibile osservare estudiare le atmosfere dei pianeti giganticon la nuova generazione di strumentiinstallati ai telescopi di maggioridimensioni (VLT, LBT, Keck)

Immagini dirette – il futuro (lontano)

Da Terra e dallo spazio sarà possibile osservare e studiare indettaglio le atmosfere dei pianeti giganti e delle “Super-Earth” entroil prossimo decennio

Per osservare e studiare in dettaglio pianeti di tipo terrestreoccorreranno osservazioni interferometriche dallo spazio

Terrestrial Planet Finder (TPF) NASA

Darwin ESA

Permetteranno di:

• Osservare pianeti terrestri nella zona abitabile

• Determinare la presenza di CO2, H2O, l’O3, CH4

• Stabilire se il pianeta può ospitare forme di vita

Caratteristiche dei pianeti extrasolari

1995 .......... 51 Pegasi b (metodo delle RV)

1999 .......... HD 209458 (metodo dei transiti)

2011 .......... 563 pianeti extrasolari noti (vari metodi)

472 sistemi planetari (57 sistemi multipli)

aminimo = 0.014 UA amassimo > 115 UA

Pminimo = 0.79 giorni Pmassimo > 870 anni

Mminima = 0.007 MGiove ~ 2.3 MTerra

Scoperte ‘’inaspettate’’:1. Hot Jupiters2. Elevata metallicità delle stelle con pianeti3. Sistemi multipli con orbite eccentriche4. Orbite retrograde

Hot Jupiters

Sono pianeti con massa simile o maggiore a quella di Giove che sitrovano ad una distanza dalla loro stella dell’ordine di 0.05 UA

Formazione degli Hot Jupiters La quantità di materia presente nel disco protoplanetario a distanze

così piccole dalla stella è molto minore di 1 MGiove

Anche se la materia fosse disponibile la forza di attrazione dellastella impedirebbe la formazione del pianeta

Circa l’1% delle stelle di tipo F, Ge K hanno un hot Jupiter

La distribuzione dei periodiorbitali mostra un massimo perP ~ 3 giorni

Pianeti a < 0.1 UA = 182Pianeti con a < 0.05 = 118

Teorie della migrazione1) Il protopianeta si forma a distanze molto maggiori dalla stella;

l’interazione con il disco produce una migrazione verso le regioni piùinterne che si arresta quando il disco si disperde

2) Due o più pianeti di grande massa interagiscono, il risultato è lamigrazione di uno di essi verso le regioni più interne del sistema

Osservazioni di HD209458 bhanno mostrato che il pianetaha un’estesa atmosfera dallaquale viene emesso idrogeno altasso di 107 kg/s

Il ‘’tempo di evaporazione’’ diun hot jupiter dipende dallasua massa e dalla distanzadalla stella

Si stima che in 5 109 anni HD 209458 b abbia perso tra l’1% e il 7%della sua massa iniziale

Metallicità delle stelle con pianeti

In Astroficica con il termine ‘’metalli’’ sono indicati tutti gli elementichimici tranne l’idrogeno e l’elio, il contenuto di metalli del Sole, inmassa, è di circa l’1.8%

La metallicità delle stelle è spesso espressa come [Fe/H], cherappresenta il logaritmo del rapporto tra l’abbondanza di Ferro in quellastella e quella del Sole (una stella con un’abbondanza di Fe 10 volte maggioredel Sole avrà [Fe/H]=1, una con un’abbondanza 10 volte minore avrà [Fe/H]=-1)

Il Ferro non è il ‘’metallo’’ più abbondante nelle stelle, viene usato comeriferimento in quanto la sua abbondanza è tra le più facili da misurare

I valori di metallicità osservati sono compresi nell’intervallo -4 < [Fe/H] < +1

Per le stelle di Popolazione I: -1 < [Fe/H] < +1

Per le stelle di Popolazione II: -4 < [Fe/H] < -1

Una delle caratteristiche piùevidenti delle stelle con pianetiè la loro elevata metallicità, lapercentuale di stelle con pianetiè di circa il 3% per stelle con-0.5 < [Fe/H] < 0.0 ma sale al25% per stelle con metallicità[Fe/H] > +0.3

Al momento è noto un solopianeta extrasolare la cui stellaha [Fe/H] < -1.1

Teorie per l’alta metallicità delle stelle con pianeti1) Il meccanismo di formazione dei pianeti è più efficace nei dischi

protoplanetari ricchi di metalli2) L’eccesso di metalli è dovuto all’inquinamento dell’atmosfera stellare

causato alla caduta sulla stella di pianeti il cui processo di migrazioneli ha spinti troppo vicini alla stella madre

EccentricitàNel Sistema Solare un solo pianeta, il che equivale al 13%, haun’eccentricità maggiore di 0.10 (Mercurio e = 0.21)

Tra i pianeti extrasolari il 57%ha un’eccentricità e > 0.1, con unvalore medio di <e> ~ 0.25

Di norma le eccentricità maggiorisi osservano nei sistemi multipli,quelle più basse per i pianeti cona < 0.1 UA

Si ritiene che gli elevati valori di ‘’e’’siano il risultato di un’interazionegravitazionale tra due o più pianeti,che comporta una modesta migrazionedi uno di loro verso l’interno delsistema ma un significativo aumentodei valori di eccentricità

Siti web sui pianeti extrasolari

The Geneva Extrasolar Planet Search Programmes -http://obswww.unige.ch/~udry/planet/planet_links.html

Enciclopedia dei Pianeti Exstrasolari -

http://exoplanet.eu/

California & Carnegie Planet Search - http://exoplanets.org/

JPL Planet Quest - http://exoplanets.org/linkframe.html

ESA Searching planets -http://www.esa.int/esaSC/SEMYZF9YFDD_index_0.html

Alla ricerca della vita

Viviamo in un sistema planetario tipico ?

51 Peg

Sole

Nel nostro sistema planetarionon si è verificata la “migrazione”di un pianeta gigante in prossimitàdel Sole

Grazie al fatto che l’orbita diGiove è quasi circolare le orbite deipianeti rocciosi risultano stabili

Ma la nostra statistica sulla struttura dei sistemi planetari è ancora eccessivamente incompleta

Stime “ottimistiche”: 1000 Dmedia 2.200 a.l.

Problema della “distanza”

Problema della “contemporaneità”

Quante civiltà “evolute” in una galassia ?

Stime “pessimistiche”: 1

L’equazione di Drake

N = S fs n fn fi fc L

N = numero di civiltà in grado di comunicare in una galassia; S = numero totale di stelle nella galassia;fs = frazione di stelle con sistemi planetari; n = numero medio di pianeti adatti per lo sviluppo dellavita; fn = frazione di pianeti abitabili su cui la vita effettivamente si sviluppa; fi = probabilità chel’evoluzione produca civiltà ‘’evolute’’; fc = frazione delle civiltà evolute che cercano (o sono in grado) dicomunicare; L = intervallo di tempo durante il quale una civiltà è in grado di comunicare

La vita sulla Terra: tempi di evoluzione

- 4.5 miliardi: nasce la Terra

- 4 miliardi: prime rocce solide

- 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti

(tempi in anni dall’epoca attuale)

- 3.5 miliardi: primi batteri età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni

- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gliantenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra

- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis)

- 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Fascia di abitabilitàE’ la regione entro laquale un pianeta ha unatemperatura tale dapoter mantenerel’acqua allo statoliquido sulla suasuperficie

La composizione dell’atmosfera del pianeta gioca un ruolo fondamentale

Sulla Terra l’effetto serra innalza la temperatura media da -21 C a +15 C

Formazione degli elementi chimiciLa vita ha bisogno di “elementi pesanti”, ma il “Big Bang” ha prodottosolo idrogeno ed elio

Gli altri elementi chimici si formano all’interno delle stelle

Le “Supernovae”: alla fine dellaloro evoluzione le stelle digrande massa (M > 8 MSole)esplodono ed immettono nellospazio gli “elementi pesanti”precedentemente sintetizzatinel loro interno

Inoltre “l’onda d’urto” favorisceil collasso di nubi interstellari

Ma le Supernovae emettono anche fasci di particelle ad alta energia,raggi X e raggi g, capaci di distruggere ogni forma di vita nel raggio dimigliaia di anni luce

La posizione del Sole nella Galassia

Le regioni centrali della Galassiasono molto ricche di stelle e quindi dielementi pesanti, ma sono anche“pericolose” (Supernovae, interazionitra stelle)

Il Sole dista circa 30.000 anni luce dal centro della nostra galassia (la“Via Lattea”); è la regione più adatta per l’esistenza di pianeti abitabili

Localizzazione degli “elementi pesanti”

Le regioni esterne sono “povere”di elementi pesanti

Le regioni intermedie offrono lemigliori condizioni

Massa e “stabilità” del Sole

Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg

0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole

Per lo sviluppo della vita su un pianeta è essenziale che il flusso diradiazione incidente (= temperatura) sia “costante”, ovvero che lastella attorno a cui orbita il pianeta sia “stabile”

T

L

nucleo

Il Sole produce energia nel nucleo conreazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogenosi trasforma in Elio

Questa “fase evolutiva” del Sole ha unadurata di 10 miliardi di anni

Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvonotroppo rapidamente

Se M = 2.5 · MSole l’idrogeno nel nucleo siesaurisce dopo 1 miliardo di anni

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Tra circa 5 miliardi di anni, esaurito l’idrogeno nel nucleo, il Sole si evolverà in “Gigante Rossa”

La temperatura sulla superficie della Terra diventerà troppo elevata

La fascia di abitabilità si sposterà verso regioni più esterne del Sistema Solare

Questo processo avviene tanto più rapidamente quanto maggiore è la massa della stella

Il Sole tra 5 miliardi di anni

Darwin

Sarà costituito da una flotta di

5-8 navette in “constellation

flight”:

- 3-6 telescopi IR da 3-4m

- 1 telescopio collettore (HUB)

- 1 navetta di comunicazione

Come potere risolutivo sarà equivalente ad untelescopio con diametro di alcune centinaia dimetri

Potrà fornire immagini di sistemi planetari edanalizzare la luce dei pianeti

E’ una missione finanziata (?) dall’ESA

Simulazione di un’immagine Darwin

La luce proveniente dal Sole è soppressasfruttando l’interferenza distruttiva

Venere, la Terra e Marte visti da 30 anni luce

Terra

Venere

Marte

Darwin potrà ottenere gli spettri della luce riflessa dai pianeti

L’O3 è un impronta diprocessi biologici