esopianeti
  • Categoria dell'articolo:Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:18 Dicembre 2021

Con la scoperta dei primi esopianeti negli anni ’90 è apparso un nuovo campo di esplorazione dell’astrofisica moderna. Oggi molti progetti o strumenti, a terra o nello spazio, sono dedicati allo studio di questi mondi che orbitano attorno a stelle diverse dal Sole.

Lo strumento MIRI installato sul telescopio James Webb punterà direttamente ad alcuni di questi esopianeti conosciuti per analizzarne l’atmosfera. Sia per gli esopianeti in orbita molto vicini alla loro stella, sia per quelli che si evolvono a diverse decine di unità astronomiche, la gamma spettrale coperta dal MIRI è completamente nuova per questi oggetti in astrofisica e speriamo di raggiungere sensibilità senza precedenti.

Infatti, l’infrarosso medio è un dominio che consente l’accesso all’emissione termica delle atmosfere degli esopianeti che contiene firme molecolari come metano, ammoniaca o vapore acqueo per i più diffusi, che ci consente di comprendere meglio la formazione degli esopianeti.

Esopianeti, terra incognita del 21° secolo

La scoperta del primo esopianeta attorno a una stella di tipo solare ha suscitato scalpore nella comunità scientifica. Questo è un risultato atteso da tempo: l’esistenza di esopianeti era stata formulata nell’antichità.

Un pianeta che si sta formando intorno alla stella PDS 70. Un coronografo blocca l'intensa luce della stella per rivelare il pianeta, a destra del centro. Immagine dello strumento SPHERE dal Very Large Telescope dell'European Southern Observatory . ESO / A.Muller et al. , CC BY
Un pianeta che si sta formando intorno alla stella PDS 70. Un coronografo blocca l’intensa luce della stella per rivelare il pianeta, a destra del centro. Immagine dello strumento SPHERE dal Very Large Telescope dell’European Southern Observatory . ESO / A.Muller et al. CC BY

Gli scopritori dell’esopianeta 51 Pegasi b hanno ricevuto anche il Premio Nobel per la fisica nel 2019. Eppure ci è voluto un po’ di tempo per accettare l’idea che un pianeta delle dimensioni di Giove potesse orbitare solo 5 centesimi di un’unità astronomica (un’unità astronomica è di 150 milioni di chilometri di distanza Terra-Sole) di una stella di tipo solare. Per fare un confronto, Mercurio, il pianeta terrestre più vicino al nostro Sole, è separato da esso di circa 4 decimi di un’unità astronomica ed è significativamente più piccolo di 51 Peg b che è un gigante gassoso. 51 Peg b era la prova che i pianeti potevano formarsi a grande distanza dalla loro stella per poi migrare verso l’interno dei sistemi.

Già nel 1992 erano stati rilevati tre pianeti attorno a una pulsar, ma senza essere ben accettati dalla comunità, perché una pulsar è una stella molto densa che ruota molto velocemente su se stessa, residuo dell’esplosione di una stella. Come sarebbero sopravvissuti i pianeti in orbita attorno alle pulsar nella fase distruttiva finale di una stella massiccia? Si sarebbero riformati dai resti della supernova? Se l’esistenza di questi pianeti è confermata oggi, queste domande rimangono.

Ora conosciamo quasi 5000 esopianeti e hanno proprietà molto diverse.

La loro massa può variare dalla massa della Luna a circa 10 volte quella di Giove, ma quelle di poche masse terrestri sono le più abbondanti. Alcuni orbitano attorno alla loro stella in pochi giorni, o anche meno di un giorno sulla Terra. La maggior parte di esse è compresa tra 0,05 e 3 unità astronomiche, ma possiamo rilevare fino a diverse centinaia di unità astronomiche della loro stella.

Come è stato rilevato 51 Pegasi b?

Puoi misurare l’effetto di un pianeta sulla sua stella senza “vedere” quel pianeta: questi sono metodi di rilevamento indiretto.

51 Pegasi b è stato il primo “Giove caldo” (cioè un grande pianeta gassoso molto vicino alla sua stella) rilevato con il metodo della velocità radiale.

Rappresentazione artistica di dieci "Giove caldi" studiati con i telescopi spaziali Hubble e Spitzer, che illustrano la varietà degli esopianeti. Ci sono per il momento poche indicazioni sperimentali sul colore degli esopianeti; e i modelli di nuvole e vento sono attualmente basati su modelli teorici. NASA/ESA
Rappresentazione artistica di dieci “Giove caldi” studiati con i telescopi spaziali Hubble e Spitzer, che illustrano la varietà degli esopianeti. Ci sono per il momento poche indicazioni sperimentali sul colore degli esopianeti; e i modelli di nuvole e vento sono attualmente basati su modelli teorici. NASA/ESA

In questo metodo, il fatto che la stella e un pianeta orbitino attorno al loro centro di massa fa sì che la stella si muova nello spazio. Ciò si traduce in una variazione periodica della velocità della stella, rilevabile con spettrografi ad altissima risoluzione, in grado di vedere “muovere” le stelle sulla loro linea di mira, grazie all’effetto Doppler, con dettagli precisi di circa 1 metro al secondo. In questo modo determiniamo l’orbita del pianeta e una stima della sua massa. Per prendere l’esempio di Giove, cambia la velocità del Sole di 13 metri al secondo. Più vicino e massiccio è il pianeta, maggiore è questa velocità.

La scoperta di CoRoT-7b e dei sette pianeti del sistema Trappist-1

Quando un pianeta passa davanti alla sua stella, eclissa leggermente la sua luce. Il metodo dei “transiti” consente di rilevare un calo periodico della luminosità della stella se il piano dell’orbita è allineato con l’osservatore. Questa è una condizione rara: per migliorare le statistiche, i satelliti scansionano centinaia di migliaia di stelle.

La diminuzione della luminosità della stella è legata al raggio del pianeta ed è necessario poter misurare variazioni fotometriche dell’ordine di 1 su 10.000. Per questo gli strumenti spaziali, che non sono soggetti all’influenza dell’atmosfera, sono necessari.

Il pianeta CoRoT-7b è uno dei primi pianeti terrestri scoperti grazie a questo metodo di transito, con il satellite CoRoT nel 2009. Appartiene alla categoria delle “super-Terre”, pianeti la cui massa è compresa tra 1 e 10 volte la massa di la terra. È così vicino alla sua stella che la circonda in 0,85 giorni terrestri e la sua superficie è probabilmente roccia fusa.

Rappresentazione artistica del pianeta CoRoT-7b in primo piano. È così vicino alla sua stella che le condizioni sono probabilmente estreme sulla sua superficie, potenzialmente 2000 sul lato diurno e - 200 ℃ sul lato notturno - qui è rappresentato come un lago di lava, come suggerito dai modelli teorici. ESO / L.Calçada , CC BY
Rappresentazione artistica del pianeta CoRoT-7b in primo piano. È così vicino alla sua stella che le condizioni sono probabilmente estreme sulla sua superficie, potenzialmente 2000 sul lato diurno e – 200 ℃ sul lato notturno – qui è rappresentato come un lago di lava, come suggerito dai modelli teorici. ESO / L.Calçada , CC BY

Il sistema Trappist-1, emblematico della tecnica dei transiti, contiene sette pianeti, tutti probabilmente tellurici e alcuni si trovano nella famosa zona abitabile: dove l’acqua, se fosse presente sulla loro superficie, potrebbe essere liquida. Fai attenzione, tuttavia, a non confondere Trappist-1 con il sistema solare. La sua stella è una M nana appena più grande di Giove e le nozioni di abitabilità potrebbero essere molto diverse da quelle incontrate sulla Terra.

Analizzare l’atmosfera degli esopianeti usando il James Webb Space Telescope

Trappist-1 è un obiettivo primario per MIRI, che mira ad analizzare l’atmosfera degli esopianeti.

Per questo è necessario “vedere” i pianeti direttamente, cioè misurare la loro luce. La scelta della lunghezza d’onda di osservazione determina il tipo di informazione ottenuta sull’atmosfera, l’infrarosso dà accesso agli assorbimenti molecolari.

Il sistema Trappist-1, i cui pianeti hanno tutti le dimensioni della Terra. Tutti orbitano molto vicini alla loro stella, che è molto più piccola del Sole. Tre di loro si trovano nella zona "abitabile" del sistema, definita in modo molto diverso da quella del Sole. NASA/JPL-Caltech
Il sistema Trappist-1, i cui pianeti hanno tutti le dimensioni della Terra. Tutti orbitano molto vicini alla loro stella, che è molto più piccola del Sole. Tre di loro si trovano nella zona “abitabile” del sistema, definita in modo molto diverso da quella del Sole. NASA/JPL-Caltech

MIRI utilizza due tecniche di rilevamento diretto, ciascuna adattata a un tipo molto specifico di esopianeta.

La più ovvia consiste nel formare un’immagine in cui distinguiamo la luce della stella e quella del pianeta, spesso problematica a causa del fenomeno di diffrazione della luce, che “allarga” le immagini: l’immagine formata dal telescopio di un pianeta e la sua stella tendono a mescolarsi ed è difficile rilevare un oggetto così debole accanto a un oggetto così luminoso.

La soluzione consiste quindi nel sopprimere la luce della stella, utilizzando un sistema ottico: il coronografo. Inizialmente inventato da Bernard Lyot nel 1930 presso l’Osservatorio di Meudon per osservare la corona solare, il coronografo si è evoluto in una versione stellare.

I coronografi MIRI utilizzano un principio interferometrico. Nessun esopianeta è stato ancora ripreso nell’infrarosso medio e MIRI sta quindi aprendo il campo della coronografia a infrarossi.

In questo regime il contrasto tra la stella e il suo pianeta è più favorevole, e i coronografi del MIRI sono progettati per misurare le proprietà fisico-chimiche di giovani esopianeti giganti, in particolare la loro temperatura e la presenza di alcune molecole come l’ammoniaca o il metano.

Nell’infrarosso, invece, è più difficile distinguere due oggetti vicini: gli esopianeti osservati dal MIRI saranno necessariamente lontani dalla loro stella, tipicamente oltre le 10 unità astronomiche (cioè all’incirca la distanza da Saturno nel sistema solare).

Ad esempio, MIRI osserverà il sistema HR 8799 che contiene quattro pianeti giganti, situati tra 15 e 70 unità astronomiche, con masse comprese tra circa 7 e 10 masse di Giove.

Quando le eclissi tra il pianeta e la sua stella ci permettono di studiare l’atmosfera

Il metodo dei transiti permette anche di studiare le atmosfere esoplanetarie.

Quando il pianeta passa davanti alla stella, la luce della stella attraversa l’atmosfera dell’esopianeta e il suo spettro si modifica: si misura l’assorbimento dovuto all’atmosfera del pianeta.

Viceversa, quando il pianeta passa dietro la stella, misuriamo (per sottrazione) l’emissione termica dell’atmosfera del pianeta, cioè i fotoni emessi direttamente dal pianeta in relazione alla sua temperatura (legge corpo nero).

Queste due misurazioni sono complementari e in alcuni casi possono essere ottenute per lo stesso esopianeta. Lo spettrografo MIRI a bassa risoluzione determina queste molecole, la loro abbondanza e la struttura di pressione e temperatura dell’atmosfera. I pianeti giganti saranno i bersagli privilegiati di questo metodo di “spettroscopia di transito“, ma si spera anche per la prima volta di sondare nell’infrarosso medio l’atmosfera dei pianeti terrestri, in particolare quella del famoso Trappist-1b.

Anthony Boccaletti, CNRS Research Director at LESIA, Paris-PSL Observatory, CNRS, University of Paris and Pierre-Olivier Lagage, CEA researcher at the Astrophysics, Instrumentation, Modeling Laboratory of CEA, CNRS