Un pianeta da un altra galassia Understand article

Author(s): Johny Setiawan

Tradotto da Paolo Sudiro. Come se i pianeti esterni al Sistema Solare non fossero già abbastanza affascinanti, gli astronomi hanno scoperto di recente un pianeta che orbita intorno ad una stella al di fuori della nostra galassia. Ce ne parla Johny Setiawan.

Un’immagine artistica
dell’esopianeta intorno alla
stella HIP 13044
Immagine gentilmente
concessa da Timotheos
Samartzidis

Per due decenni gli astronomi hanno saputo che esistono pianeti oltre il nostro Sistema Solare (Wolszczan & Frail, 1992). Orbitando intorno ad altre stelle, sono noti come pianeti extrasolari o esopianeti. Fino ad oggi sono stati scoperti oltre 500 pianeti, la gran parte dei quali orbita intorno a stelle con caratteristiche simili a quelle del Sole (come descritto in Jørgensen, 2006). In particolare, oltre il 90% delle stelle con esopianeti sono nella stessa fase evolutiva del Sole – la fase della sequenza principale, durante la quale le stelle bruciano idrogeno (vedi immagine sotto).

Le stelle come il nostro Sole passano gran parte della loro esistenza nella sequenza principale, bruciando lentamente il loro combustibile nucleare primario, l’idrogeno, formando il più pesante elio. Questo è lo stadio in cui si trova adesso il nostro Sole.

Dopo diversi miliardi di anni, il loro combustibile è quasi esaurito ed iniziano a gonfiarsi, allontanando i loro strati esterni da ciò che è diventato un nucleo estremamente piccolo e caldo. Queste stelle di ‘mezza età’ diventano enormi, e perciò fredde e rosse, e sono note come giganti rosse.

Dopo lo stadio di gigante rossa, la stella entra nella fase del ramo orizzontale, durante la quale la fonte di energia è la fusione dell’elio nel nucleo e la fusione dell’idrogeno nel guscio che circonda il nucleo. Questa è la fase in cui si trova la stella HIP 13044.

Diversamente dalle stelle molto più massicce, queste stelle di tipo solare non terminano la loro esistenza in drammatiche esplosioni, ma muoiono tranquillamente come nebule planetarie, espellendo tutto il loro materiale tranne un minuscolo rimasuglio, noto come nana bianca.

Per saperne di più sull’evoluzione stellare vedi Boffin & Pierce-Price, 2007 (stelle piccole), Székely & Benedekfi, 2007 (stelle massicce) ed il sito del Langton Star Centrew1
Immagine gentilmente concessa da ESO / S Steinhöfel

Il nostro gruppo di ricerca all’Istituto Max Planck di Astronomia ad Heidelberg, in Germania, comunque, si concentra sulla ricerca di compagni planetari intorno a stelle che non si trovano nella sequenza principale, ma in stadi evolutivi successivi. Questi includono la fase nota come gigante rossa, durante la quale la stella si espande fino a centinaia di volte il suo diametro originario. L’individuazione di pianeti intorno a simili stelle giganti è importante per lo studio dell’evoluzione dei sistemi planetari. In particolare, ci permette di prevedere il futuro del nostro Sistema Solare.

Recentemente il nostro gruppo ha individuato con successo un pianeta intorno alla stella HIP 13044, che ha lasciato la fase di gigante rossa.

Una stella extragalattica

La stella HIP 13044, che si trova a circa 2000 anni luce di distanza dal nostro Sistema Solare, nella costellazione meridionale Fornax (‘la fornace’), è decisamente differente da altre stelle con pianeti già note. In particolare, ha un’abbondanza molto bassa di ferro, meno dell’1% di quanto ne ha il Sole. Un’elevata abbondanza di metalli (metallicità stellare) è importante nel modello del nucleo di accrezione della formazione dei pianeti: più metalli ci sono nel sistema stellare e più alta è la probabilità che si formino pianeti. Dati i suoi bassi livelli di ferro, non ci saremmo aspettati di trovare un piante intorno a HIP 13044.

Ciò che rende particolarmente interessante questa stella, comunque, è il fatto che HIP 13044 appartiene ad un gruppo di stelle che stanno attraversando la nostra galassia, la Via Lattea, e orbitano attorno al centro della galassia su orbite simili; un simile raggruppamento è noto come corrente stellare. La corrente di Helmi, cui appartiene HIP 13044, è nota per avere la sua origine fuori della nostra galassia (Helmi et al., 1999). Si pensa che l’attrazione gravitazionale della Via Lattea abbia trascinato queste stelle nella nostra galassia.

Questa è la prima volta che gli astronomi identificano un sistema planetario in un sistema stellare di origine extragalattica. A causa delle grandi distanze coinvolte, non ci sono identificazioni confermate di pianeti in altre galassie. Ma questa fusione cosmica ha trasportato un pianeta extragalattico fino alla nostra portata.

Individuare gli esopianeti

Sebbene la stella HIP 13044 ed il suo pianeta associato HIP 13044 b si trovino oggi all’interno della Via Lattea, essi sono ancora a 2000 anni luce di distanza dalla Terra; mentre la stella può essere vista con un telescopio, il pianeta stesso è troppo piccolo da osservare direttamente. Allora, come abbiamo fatto ad individuarlo?

Utilizzando una tecnica nota come velocità radiale, siamo andati alla ricerca di minuscole oscillazioni rivelatrici nel movimento della stella, provocate dalla spinta gravitazionale del suo compagno in orbita. Esaminando le linee spettrali della stella in intervalli successivi, abbiamo rilevato delle variazioni in quelle linee (vedi disegno più sotto). Queste variazioni indicano cambiamenti nella velocità della stella lungo la linea di osservazione e possono rivelare la presenza di un compagno invisibile di piccola massa, come un pianeta. Sebbene ci siano altre tecniche per individuare gli esopianeti (per esempio l’effetto di microlente, come descritto da Jørgensen, 2006), il metodo della velocità radiale si è dimostrato il più efficace. Per eseguire queste accurate osservazioni abbiamo utilizzato lo spettrografo ad alta risoluzione FEROS, collegato al telescopio di 2.2 m MPG / ESO dello European Southern Observatory del centro di La Silla, in Cilew2. Questo osservatorio è attrezzato con strumentazioni di livello mondiale per l’identificazione dei pianeti extrasolari.

La tecnica della velocità radiale per l’identificazione degli esopianeti. Se una stella è abbastanza vicina alla Terra, possiamo individuarne la luce. La luce contiene informazioni sugli elementi presenti nell’atmosfera stellare, sotto forma di linee spettrali (linee nere sullo spettro colorato, a destra); queste linee possono essere rilevate, ad esempio, con uno spettrografo ad alta risoluzione.

In una stella senza un compagno la posizione di queste linee nello spettro non presenta cambiamenti periodici. Tuttavia, la presenza di un compagno orbitante, come un pianeta (sfera blu) fa oscillare la stella (sfera arancione); il movimento della stella è mostrato come un linea gialla. Quando la stella (non il pianeta!) si muove verso di noi (verso destra nel disegno) il cambiamento della sua velocità radiale è negativo (come mostrato nel grafico, sopra); quando si allontana da noi (verso sinistra) il cambiamento della sua velocità radiale è positivo. Ciò si riflette in un cambiamento nella posizione delle linee spettrali: un cambiamento positivo della velocità radiale corisponde ad uno spostamento verso le lunghezze d’onda del rosso nello spettro; un cambiamento negativo corisponde ad uno spostameno verso l’estremità del blu. Questi cambiamenti sono utilizzati per individuare la presenza di un compagno orbitante intorno alla stella. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da Johny Setiawan

Guardare nel nostro futuro?

HIP 13044 b è uno dei pochi esopianeti noti per essere sopravvissuti alla fase di gigante rossa della loro stella, durante la quale la stella si espande enormemente dopo avere consumato la riserva di idrogeno nel suo nucleo. La stella HIP 13044 si è ora contratta di nuovo ed è entrata nel ramo orizzontale, bruciando elio nel suo nucleo. Questo è il primo esopianeta riconosciuto intorno ad una stella del ramo orizzontale. La scoperta di HIP 13044 b, perciò, è particolarmente interessante se consideriamo il lontano futuro del nostro sistema planetario; il Sole si trova già a metà del suo ciclo di vita e ci aspettiamo che diventi una gigante rossa in circa cinque milioni di anni.

Non solo l’esistenza del pianeta appena scoperto è interessante; anche le sue caratteristiche sono insolite. HIP 13044 b ha una massa almeno 1,3 volte quella di Giove, il più grande pianeta del Sistema Solare, ed orbita ad una distanza 0,12 volte la distanza tra il Sole e la Tera (0,12 unità astronomiche). Poiché è così tanto più vicino alla sua stella di quanto lo siamo noi al Sole, HIP 13044 b orbita intorno alla sua stella in solo 16,2 giorni invece dell’anno che impiega la Terra. Un’orbita planetaria così piccola è comune per stelle della sequenza principale, come il Sole, ma è insolita per stelle nella fase evolutiva finale di giganti rosse.

Il nostro gruppo suppone che inizialmente l’orbita del pianeta possa essere stata molto più grande, ma che si sia mosso verso l’interno durante la fase di gigante rossa. Se il pianeta fosse stato più vicino alla stella, non sarebbe stato altrettanto fortunato: la stella ruota piuttosto rapidamente per una stella nel ramo orizzontale ed una spiegazione è quella che HIP 13044 abbia ingoiato i suoi pianeti interni durante la fase di gigante rossa, il che avrebbe fatto ruotare più rapidamente la stella (per una spiegazione di come ciò avvenga, vedi Carlberg et al., 2009)

Sebbene HIP 13044 b sia finora sfuggita al destino dei pianeti interni, la stella si espanderà ancora nello stadio successivo della sua evoluzione. HIP 13044 b, pur essendo sopravvissuto così a lungo, potrebbe essere comunque sul punto di venire inghiottito dalla sua stella. Questo potrebbe anche presagire il destino dei nostri pianeti esterni – come Giove – quando il Sole si avvicinerà alla fine della sua esistenza.

References

Web References

  • w1 – Il Langton Star Centre sostiene gruppi di ricerca di studenti delle scuole coinvolgendoli in ricerche scientifiche d’avanguardia. Per saperne di più sul ciclo di vita di una stella, vedi sul sito web: www.thelangtonstarcentre.org
  • Per sapere come l’insegnante di fisica Becky Parker ha costituito il Langton Star Centre, vedi:
  • w2 – Lo European Southern Observatory (ESO) costruisce e utilizza il complesso di telescopi astronomici terrestri più avanzato a livello mondiale. L’ESO è un membro di EIROforum, l’editore di Science in School. Per conoscere di più sull’ESO, vedi: www.eso.org

Resources

Institutions

Author(s)

Johny Setiawan ha studiato fisica all’Università Albert Ludwig di Freiburg im Breisgau, in Germania, prima di ottenere un Dottorato di Ricerca in astronomia e astrofisica nel 2003. Attualmente lavora all’Istituto Max Planck per l’Astronomia di Heidelberg, in Germania, dove la sua ricerca si è concentrata sui pianeti extrasolari sia di stelle evolute che giovani. In particolare, sta lavorando sui dati spettroscopici degli spettrografi ottici impiegati nel programma di ricerca dei pianeti

Review

Prima di leggere questo articolo io non sapevo che la nostra galassia, la Via Lattea, ospitasse correnti di stelle da altre galassie. Mi ha affascinato la storia di questi visitatori alieni e di un esopianeta in un viaggio galattico.

Da un punto di vista didattico ho pensato prima di tutto alla gravità – quanto può essere potente, quanto è universale e su che grandi distanze opera. L’articolo potrebbe essere anche facilmente applicato ad altri argomenti di fisica, chimica, astronomia e scienze della Terra: massa, effetto Doppler, spettroscopia (linee di assorbimento e di emissione), abbondanza dei metalli nell’Universo, la mutua attrazione dei corpi celesti e l’accrezione planetaria. Potrebbe essere utilizzato come base per una discussione sulla cosmologia, la storia del Sistema Solare e la ricerca di pianeti di tipo terrestre e di vita extraterrestre.

Potrebbe anche essere impiegato per una discussione su come lavora la scienza: come ipotesi e teorie partono da nuove osservazioni e scoperte e sono basate su precedenti risultati scientifici e tecniche collaudate, da scienziati aperti a possibilità che non erano mai state considerate in precedenza.

Marco Nicolini, Italia

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