Ricerca di esopianeti Understand article

La possibilità di esistenza di altri mondi oltre  al nostro ha da sempre solleticato la fantasia degli esseri umani per millenni. Adesso, la tecnologia ha portato questi altri mondi – o esopianeti – alla portata della scoperta.

“Vi sono così tanti mondi sia uguali che diversi dal nostro”. Ha detto il filosofo Greco e atomista Epicuro nel quarto secolo BCE. Ma proprio da questa idea dei Greci di un sistema eliocentrico si è sperso nel tumulto della storia, la nozione di Epicuro di cosmo senza confini fu spazzata via dal pensiero filosofico dominante di Aristotele, il quale dichiarava che “non vi può essere altro che un solo mondo”.

Sono circa 2000 anni che è stata presa in seria considerazione che la Terra potesse non essere l’unico mondo. Fu in Italia, nel 1584, al culmine del Rinascimento, che Giordano Bruno propose che l’Universo fosse infinito e che le stelle erano distanti soli che orbitano attorno a “innumerabili mondi”.  Circa 400 anni dopo, nel 1992, arrivò la prima conferma di uno degli “innumerevoli mondi”, dal radio astronomo Aleksander Wolszczan e Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan e Frail avevano scoperto una pulsare che ruotava vorticosamente a circa 160 volte al secondo nella costellazione della Vergine. Questa piccola stella collassata che ruota a una tale velocità emette un segnale radio di grande potenza che spazza la Terra in rapida pulsazione. Una irregolarità nel segnale ha condotto gli astronomi a concludere che “la pulsar orbitava attorno a due o più corpi delle dimensioni di un pianeta”, che diventarono i primi ‘esopianeti’ noti – cioè pianeti esterni al nostro Sistema Solare. Tre anni dopo, un altro esopianeta fu individuato da Michel Mayor e Didier Queloz^w1, questa volta in orbita attorno ad una stella simile al Sole chiamata 51 Pegaso. Era un mondo estremo – tipo un  ‘Giove caldo’ che era 150 volte più massiccio della Terra e orbitava attorno al suo sole ad una distanza minore di quella di Mercurio attorno al nostro Sole.

Gli astronomi avevano pensato che fosse possibile individuare gli esopianeti, e quindi era partita la corsa a scovarne sempre di più. I metodi di individuazione diventavano sempre più sofisticati, e le scoperte si fecero numerose.

Al momento sappiamo che vi sono più di 4000 esopianeti: la maggior parte dei quali vicini al nostro Sistema Solare, a causa della loro vicinanza è stato facile individuarli. Questo suggerisce che ve ne potrebbero essere quasi 11 miliardi delle dimensioni della Terra e potenzialmente abitabili solo nella nosta galassia della Via Lattea.

Mondi alieni

La caccia di pianeti extrasolari ha avuto molto più successo di quanto gli astronomi si attendessero. I sistemi planetari alieni sono onnipresenti e sorprendentemente diversificati, con una minima somiglianza al nostro Sistema Solare. Adesso sembra che la maggior parte delle stelle possiedino dei pianeti, e piccoli pianeti rocciosi sono i più abbondanti, inclusi alcuni delle dimensioni simili alla Terra che orbitano attorno alla loro stella genitrice nella ‘zona abitabile’ dove potrebbe esistere acqua allo stato liquido sulla superficie del pianeta – una condizione essenziale per la vita. Si sono trovati anche molti esopianeti massicci delle dimensioni di Giove, e alcuni si sono immaginati. Abbiamo individuato delle nuvole nei loro cieli, e grazie all’analisi spettrale, abbiamo potuto identificare gli elementi delle loro atmosfere.

Tuttavia, la caccia agli esopianeti ha dovuto affrontare considerevoli sfide. I pianeti sono molto più invisibili e piccoli delle stelle attorno alle quali orbitano, così dobbiamo avere a che fare con  metodi indiretti per poterli individuare, piuttosto che immaginarli direttamente. Vi sono diversi differenti approcci, ognuno con i loro vantaggi e svantaggi. In questo articolo, daremo uno sguardo ad alcuni dei più importanti metodi di individuazione.

Metodo del transito

Se a un esopianeta accade di passare davanti alla sua stella compagna mentre la osserviamo dalla Terra – un fenomeno che in astronomia chiamiamo ‘transito’ – la luminosità della stella diminuisce per un breve periodo di tempo, anche se per una brevissima frazione di tempo, come quella vista con il triplo transito della stella TRAPPIST-1 nel 2015 (figura 1). Più dei tre quarti degli esopianeti sono stati scoperti mediante questo metodo. Il metodo del transito presuppone una certa dose di fortuna poiché non è detto che l’esopianeta orbiti passando davanti alla stella compagna poiché le loro orbite sono distribuite a caso , dal nostro punto di vista la maggior parte non si vedono mai transitare davanti alle loro stelle. Per ovviare a ciò, i telescopi spaziali come Keplero della NASA, controlla un gran numero di stelle per un periodo di tempo molto lungo. Le stelle possono anche mostrare un calo della luminosità a causa delle caratteristiche della loro superficie come le macchie stellari, così occorrono molte osservazioni prima di confermare la scoperta di un esopianeta.

Durante il transito, la luce della stella passa attraverso l’atmosfera dell’esopianeta, dove alcune lunghezze d’onda sono selettivamente assorbite dagli elementi e dalle molecole presenti nell’atmosfera. Il meccanismo di assorbimento, che possiamo leggere calcolando l’analisi spettrale, serve a caratterizzare la sua impronta chimica  che fornisce informazioni su quali sostanze sono presenti. Questi studi hanno rivelato la presenza di acqua nell’atmosfera dell’esopianeta (Tsiaras et al., 2019) e può anche informarci se l’acqua atmosferica assume lo stato di vapore o di liquido. 

Metodo astrometrico

I pianeti sono molto meno massicci delle stelle, ma esercitano ugualmente una forza attrattiva. Il braccio di ferro gravitazionale tra un pianeta e la sua stella fa si che la coppia orbiti attorno ad un centro di massa condiviso che spesso si trova all’interno della stella stessa, non proprio a metà strada trai due. Il risultato è che la stella sembra vacillare muovendosi attorno ad una piccola orbita con centro il centro di massa condiviso. L’attrazione di Giove sul Sole, per esempio, causa al Sole di oscillare con una velocità media di 12 m/s come se orbitasse attorno ad un centro di massa vicino alla sua superficie. L’effetto mostrato da tutti i pianeti del nostro Sistema Solare sul Sole è il percorso oscillante mostrato in figura 2.

Il metodo astronomico consiste sulla rivelazione astrometrica che spia ma quasi impercettibilmente piccola oscillazione in stelle situate a molti anni luce di distanza, che richiede una grande sensibilità degli strumenti. Per mettere in evidenza questo fatto, una stella delle dimensioni del Sole ad una distanza di 42 anni luce (10 volte più vicina della nostra stella più vicina, Proxima Centauri) dovrebbe oscillare solamente di un quinto di un milionesimo di grado sotto l’influenza  di un pianeta come Giove. Questo equivale a vedere la Stazione Spaziale Internazionale spostarsi di 1.5 mm dalla sua orbita. L’effetto di un pianeta delle dimensioni della Terra dovrebbe essere 1600 volte più piccolo.

Meno dello 0.02 % degli esopianeti conosciuti sono stati individuati utilizzando questo metodo. Tuttavia, questi risultati potrebbero aumentare, grazie ai telescopi spaziali come quello installa dall’ESA sulla navicella Gaia. La strumentazione di Gaia non è influenzata dalla distorsione dovuta all’atmosfera della Terra, e può rivelare movimenti più piccoli di un quarto di un miliardesimo di grado.

Metodo della velocità radiale

Un altro metodo per rivelare il moto oscillatorio di una stella consiste nell’osservare le variazioni del suo spettro. Questo metodo è chiamato metodo della velocità radiale, e sfrutta l’effetto Doppler – la compressione e la dilatazione delle onde dalla sorgente che si muove avanti o indietro rispetto all’osservatore. Quando una stella si muove allontanandosi da noi, la sua luce si sposta sullo spettro verso il rosso; quando si muove verso di noi, la luce si sposta nella parte dello spettro che contiene il blu.

La variazione della lunghezza d’onda a causa dell’orbita del pianeta è molto piccolo. L’oscillazione del nostro Sole è di 12 m/s, per cui le linee spettrali di Giove, si spostano di un mero 0.000004%. Nonostante questo valore, gli spettrografi astronomici possono individuare i movimenti stellari che sono minori di 1 m/s, e si sta lavorando in modo che si possano individuare spostamenti di 0.1 m/s, che permette di rivelare la presenza di esopianeti della dimensioni della Terra. Per questa ragione il metodo della velocità radiale rappresenta la pietra angolare dell’astronomia degli esopianeti l quale si fanno risalire quasi il 20% delle scoperte fatte a partire dal 2012.

Come altre tecniche utilizzate per dare la caccia agli esopianeti, il metodo della velocità radiale ha una distorsione di una distinta osservazione, favorendo i pianeti che sono più facili da trovare: mondi massicci delle dimensioni di Giove che orbitano vicino alla loro stella. La velocità radiale è distorta anche per stelle che sono ricche di elementi pesanti, poiché la luce proveniente da tali stelle, hanno più linee spettrali, rendendo l’effetto Doppler più facile da individuare.

Immagine diretta

Una delle più recenti prove di esistenza di un esopianeta è la rappresentazione grafica di se stesso, ma l’immagine diretta richiede telescopi con una risoluzione incredibilmente grande. Quanto più lontano è un esopianeta, e più vicino è la sua stella, più grande dovrà essere lo specchio del telescopio o le lenti necessarie a risolvere i due oggetti separatamente. Un telescopio da 8 m potrebbe essere necessario per separare Giove dal Sole se si osservano ad una distanza di 600 anni luce di distanza, mentre per risolvere la Terra richiede un telescopio da 39 m. Un telescopio esattamente di questa dimensione – cioè l’European Southern Observatory dell’ESO Extremely Large Telescope (ELT)^w2 – è al momento in costruzione nel Deserto di Atacama in Cile ed è previsto che inizi a cercare gli esopianeti nel 2026. Una risoluzione maggiore si può realizzare combinando i dati provenienti da diversi telescopi presenti su una grande area – una tecnica chiamata interferometria.

La più grande sfida è rappresentata dal contrasto estremo tra la brillantezza della luce riflessa dall’esopianeta e quella della stella ospite, che potrebbe essere dieci miliardi di volte più luminosa di esopianeti delle dimensioni della Terra. Un modo per evitare questo problema è quello di utilizzare una tecnica di mascheramento chiamata coronografie per sopprimere la luce della stella.

Le immagine dirette di più di 100 esopianeti sono state riprese (Chauvin et al., 2017; vedi figura 3). Come per il metodo del transito, l’immagine diretta ci permette di studiare lo spettro della luce proveniente dagli esopianeti e identificare gli elementi contenuti nelle loro atmosfere.

Sviluppi futuri

Nei prossimi la ricerca di esopianeti sarà ancora più eccitante intanto che diventeranno operativi i nuovi telescopi e si miglioreranno i metodi di determinazione.  Un progetto promettente è quello che si sviluppando il SPECULOOS, un insieme di quattro telescopi robotizzati da 1 metro di larghezza, in costruzione nel deserto di Atacama. SPECULOOS ha il compito di cercare esopianeti della dimensioni della Terra che orbitano vicino a stelle che abbiano una temperatura della superficie di circa 2500 °K.

Nel 2020, il Telescopio dello James Webb Space (un partenariato tra NASA, ESA e l’atmosferaAgenzia Spaziale Canadese) e telescopi di grande apertura come l’ELT forniranno la potenza di risoluzione che occorre per scoprire pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile attorno a stelle delle dimensioni del Sole. L’analisi spettrale ed altre tecniche di processo di immagini renderà possibile non solo l’identificazione di tali mondi ma anche realizzare analisi chimiche della loro atmosfera – e cercare segni della vita come noi la conosciamo.

Gli Esopianeti per le scuole

La caccia agli esopianeti non è esclusività degli astronomi professionisti con strumentazioni costose e di grandi dimensioni. Utilizzando il metodo del transito, anche un modesto telescopio da 10-20 cm può servire allo scopo di rivelare l’eclissi di una stella a causa di un esopianeta che gli passa davanti. Gli astronomi amatoriali e le scuole potrebbero scoprire nuovi esopianeti, ma facendo osservazioni consecutive di pianeti noti, potrete fornire dati di grande valore per la nostra ricerca per imparare qualcosa in più di questi affascinanti mondi. Potrete trovare nella sezione risorse, gli indirizzi di siti web che descrivono tali attività per le scuole. Buona caccia!

References

• Chauvin G et al. (2017) Discovery of a warm, dusty giant planet around HIP 65426. Astronomy & Astrophysics 605 (L9): 1-9. doi: 10.1051/0004-6361/201731152
• Tsiaras A et al. (2019) Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b. Nature Astronomy. doi: 10.1038/s41550-019-0878-9
• Wolszczan A, Frail DA (1992) A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12. Nature 335: 145-147. doi: 10.1038/355145a0
  • Potete scaricare gratis gli articoli di Nature qui o abbonarvi a Nature oggi stesso.

Web References

• w1 – Michel Mayor e Didier Queloz sono stati premiati con il Premio Nobel in Fisica 2019 per la loro scoperta di un esopianeta che orbita attorno ad una stella delle dimensioni del Sole. Si può leggere della loro scoperta in questo sito Organizzazione del Nobel Prize.
• w2 – ESO è l’organizzazione astronomica intergovernativa più avanzata in Europa e la più produttiva nel mondo per quanto riguarda i telescopi astronomici terrestri, con la sua sede in Garching, vicino Monaco in Germania, e i suoi telescopi in Cile.

Resources

• Potete trovare qui come astronomi dilettanti possono indagare su esopianeti.
• Per imparare come degli astronomi dilettanti possono aiutare i ricercatori a individuare altri esopianeti, guardate:
  • Il sito dell’Associazione Americana per l’Osservazione delle Stelle Variabili.
  • La pagina della Missione Keplero NASA per gli astronomi dilettanti.

Institutions

Author(s)

Wolfgang Vieser è un astrofisico eun insegnante di fisica. Ha ottenuto il dottorato in astrofisica e insegnato in una scuola secondaria superiore per 14 anni prima di ottenere il posto come Coordinatore all’ESO Education. Il suo scopo principale ha portato all’interno delle sue classi a scuola la scienza più avanzata e aiutando i colleghi insegnanti nell’utilizzo l’astronomia come tramite al mondo della scienza.

Review

La ricerca di esopianeti sembra essere una nuova disciplina dell’astronomia. Per gli abitanti della Terra, è interessante vedere se vi è qualcosa al di fuori del sistema solare simile al nostro pianeta. Forse presto saremo in grado di rispondere alla domanda: siamo soli?

Questo articolo sottolinea i metodi attuali utilizzati per la scoperta di esopianeti, che utilizzano principi familiari di fisica e chimica. L’articolo potrebbe essere utilizzato come un esercizio di comprensione, e le seguenti domande e sfide potrebbero includere:

• Che cosa è un esopianeta?
• Riassumi la storia della scoperta degli esopianeti.
• Descrivi uno dei metodi utilizzato per scoprire gli esopianeti.
• Qual’è il futuro della scoperta degli esopianeti?

Gerd Vogt, insegnante di fisica e tecnologia, nella Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente ed Economia, a Yspertal, Austria

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