Corso Base di Astronomia
Daniele Gasparri
Lezione 3, 09/12/2010: I pianeti extrasolari
- Come vengono scoperti
- Alla ricerca della vita
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Sito internet: www.danielegasparri.com
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Pianeti Extrasolari: nuovi mondi
…Pertanto dobbiamo capire che esistono altri mondi in altre parti
dell'Universo, con tipi differenti di uomini e di animali – Lucrezio, De
Rerum Natura, 70 A.C.
Cotal spacio lo diciamo infinito, perché non è raggione, convenienza,
possibilità, senso, o natura che debba finirlo: in esso sono infiniti mondi
simili a questo, e non differenti in geno da questo; perché non è raggione
né difetto di facultà naturale, dico tanto potenza passiva quanto attiva, per
la quale, come in questo spacio circa noi ne sono, medesimamente non ne
sieno in tutto l’altro spacio, che di natura non è differente e altro da questo.
– Giordano Bruno, De l'infinito, universo et Mondi, Dialogo Quinto
1584
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Dicembre 2010
424 sistemi planetari, 506 pianeti attualmente conosciuti
Almeno il 15% delle stelle ha un pianeta,
forse il 30%
Nella Galassia ci sono 100 miliardi di stelle
Almeno 15 miliardi di sistemi planetari
Nell’Universo vi sono circa 500 miliardi di
galassie
Nell’Universo vi sono almeno
10000000000000000000000 pianeti.
Se anche solo 1 pianeta su 10 miliardi fosse
abitato, vi sarebbero mille miliardi di pianeti
abitati nell’Universo.
Probabile sistema planetario in Alpha Centauri? (il sistema stellare a noi più vicino,
4,24 anni luce)
Se fossimo soli sarebbe un incredibile spreco di spazio – Carl Sagan
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Gli albori di una rivoluzione astronomica
La prima scoperta risale al 1992: 3 pianeti
attorno ad una pulsar
Pulsar : stelle piccole e dense, ruotano
attorno al proprio asse decine o centinaia di
volte al secondo
Primo pianeta attorno ad una stella di
sequenza principale: 51 Pegasi, (1995);
massa comparabile con quella di Giove
In soli 15 anni si è rivoluzionata
totalmente la conoscenza del nostro
Universo
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Come si scoprono i pianeti extrasolari?
NO!
I pianeti sono troppo deboli e troppo vicini alle stelle per poter essere osservati
direttamente.
Giove e il Sole, alla distanza di 10 anni luce, apparirebbero separati di 0,17
secondi d’arco, con Giove milioni di volte meno luminoso del Sole: nessuno
strumento è in grado di poter effettuare (ancora) questo tipo di osservazioni.
Come mettere in mostra la loro presenza?....................
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…..Metodi Indiretti
(Quasi) Tutti i pianeti extrasolari si scoprono con metodi indiretti, ma
altrettanto validi
Si misura l’effetto che un pianeta produce (sia pur piccolo) sulla stella attorno
alla quale orbita:
5 Metodi principali
Metodo delle velocità radiali
Metodo astrometrico
Metodo dei transiti
Timing
Microlensing
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Metodo delle velocità radiali
Attualmente questo è il metodo che consente la massima probabilità di
scoperta. Sono 471 i pianeti così individuati
Un sistema formato da almeno due corpi (stella + pianeta) ruota attorno al
comune centro di massa
Se la stella possiede un pianeta
compie anche essa una piccola
orbita attorno a questo punto,
altrimenti resta fissa
Attraverso lo studio dello spettro
stellare possiamo risalire alla
velocità orbitale della stella e
capire se essa compie questa
piccola orbita oppure no, quindi
capire se ha almeno un pianeta
che la disturba.
Come si misura la velocità
orbitale di un corpo distante
migliaia di miliardi di km?
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Metodo delle velocità radiali
Attraverso l’effetto doppler: lo spettro di una sorgente luminosa in
allontanamento appare spostato verso il rosso; viceversa, se è in avvicinamento
è spostato verso il blu.
Misurando lo spostamento, periodico, si risale alla velocità radiale (cioè lungo
l’osservatore) e quindi a preziose informazioni sul corpo che non vediamo, cioè
il pianeta.
Precisioni attuali: velocità di 1 m/s è possibile scoprire pianeti grandi come
Urano o Nettuno
Effetto doppler
Curva di velocità radiali
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Metodo astrometrico
Per quanto detto prima:
Una stella con almeno un pianeta ruota attorno al centro di massa
Misurando la sua posizione riesco (teoricamente) a misurare la sua orbita, il suo
spostamento.
Il metodo delle velocità radiali analizza la velocità, quello astrometrico, lo
spostamento, ma il principio è lo stesso
E’ molto difficile misurare lo spostamento
stellare, maggiore quando maggiore è il
pianeta (che non vediamo)
Il metodo astrometrico consente,
attualmente, di scoprire solo pianeti più
grandi di Giove
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Microlensing gravitazionale
Una stella vicina che transita prospetticamente di fronte ad una sorgente lontana
(Stella, Quasar...) produce un effetto di lente: amplifica la luce della sorgente di sfondo
Se la stella vicina possiede un pianeta, anche il suo campo gravitazionale amplifica la
sorgente di fondo, producendo un picco secondario
Metodo molto preciso, consente di scoprire pianeti simili alla Terra
Purtroppo è irripetibile sotto le stesse condizioni: il fenomeno di microlensing è raro e
si verifica generalmente una volta.
Attualmente sono noti 11 pianeti: il più piccolo è di circa 5 masse terrestri
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Timing
La presenza di uno o più pianeti altera il periodo di pulsazione di alcune
stelle particolari
Gli istanti di tempo sono le misurazioni più facili e precise da fare
Pulsar e stelle di neutroni ruotano centinaia di volte al secondo, con un
periodo precisissimo
Un pianeta altera questo periodo
di pochi miliardesimi di secondo
Si possono scoprire pianeti simili
alla Terra
Purtroppo l’ambiente non è
adatto ne all’esistenza di pianeti,
ne tantomeno ad un’eventuale
vita
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Metodo dei transiti
Un pianeta che passa prospetticamente davanti la propria stella provoca una
diminuzione della sua luminosità.
Misurando la quantità di luce della stella in funzione del tempo (curva di luce) si può
mettere in mostra il transito planetario.
La forma di un transito è ben definita ed impossibile da equivocare
Dall’analisi del transito si
ricavano dati preziosi ed unici:
massa esatta, inclinazione
orbitale, periodo orbitale esatto,
raggio, densità media,
informazioni sull’atmosfera e
sulla struttura interna del
pianeta.
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Metodo dei transiti
89 pianeti scoperti fino ad ora
L’attuale strumentazione consente di rivelare cadute di luce di meno di un millesimo di
magnitudine.
Massa e dimensioni dei pianeti rivelabili dipendono dalle dimensioni della stella.
Si possono scoprire pianeti dal
raggio 30 inferiore alla stella.
Stella di classe M R=0,5 Rsole
Rpianeta= 12000 Km= 2RTerra
Dall’analisi spettroscopica del
transito si può ricavare lo spettro
prodotto dall’atmosfera del pianeta:
Si può scoprire la sua
composizione atmosferica
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…Il metodo dei transiti può essere applicato anche dagli astrofili
Pianeta extrasolare TrEs-4, gigante
gassoso con periodo di 4 giorni
Pianeta extrasolare TrEs-2. Molto simile
a Giove, con periodo di 3 giorni
Transito del pianeta extrasolare HD17156b, rivelato, per la prima volta al mondo,
da un gruppo di astrofili, con strumentazione amatoriale.
E’ il pianeta transitante, attualmente conosciuto, con il maggiore periodo di
rivoluzione, appartenente ad una nuova classe di pianeti extrasolari
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Caratteristiche medie dell’attuale popolazione
Molti pianeti hanno masse uguali o
superiori a Giove giganti gassosi
Molti hanno periodi orbitali brevi, dell’ordine
di qualche giorno molto caldi, e molto
diversi dalla Terra
Attualmente nessun pianeta è simile, per
massa e distanza dalla stella, alla Terra
Il nostro sistema solare è unico?
NO!
L’attuale popolazione planetaria è frutto delle tecniche di indagine e
non rispecchia necessariamente quella reale della nostra Galassia....
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Qualche pianeta particolare
Molti sono detti Giovi caldi pianeti grandi quanto o più di Giove, orbitanti a distanza
di qualche milione di Km dalla Stella
Pianeti estremamente caldi (oltre 1000°C),
ruotano attorno alla stella in 3-5 giorni.
I Giovi caldi (Hot Jupiter) pongono non
pochi problemi ai planetologi:
Come è possibile che a quelle piccole
distanze si siano formati pianeti così
grandi?
Qualche pianeta particolare...
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HD209458b
Giove caldo, estremamente
vicino alla stella madre
La sua atmosfera, composta
principalmente di idrogeno, sta
lentamente evaporando,
lasciando una scia simile alla
coda di una cometa
Sono stati misurati imponenti venti compresi
tra 5000 e 10000 Km/h
Qualche pianeta particolare...
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BD+20 1790b 35 milioni di
anni solamente, 83 anni
luce dalla Terra, 6 volte la
massa di Giove: pianeta più
giovane mai scoperto.
Candidato preziosissimo
per rispondere ad alcune
domande:
Come si formano?
Come evolvono?
Quali proprietà?
La scoperta di numerosi pianeti extrasolari ha messo in profonda crisi tutte
le teorie di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari prima basate solo
sul nostro sistema solare che sembra costituire un’eccezione
Qualche pianeta particolare...
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HD189733b
Giove caldo, transitante
sul disco della propria
stella.
Nella sua atmosfera sono
state trovate tracce di
acqua
L’acqua è una delle molecole più abbondanti dell’Universo
Esistono pianeti simili alla Terra?
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Obiettivi attuali: scoprire pianeti simili alla Terra
Corot, satellite ESA, dicembre 2006
Kepler, telescopio orbitante NASA,
aprile 2009 dedicato alla ricerca di
pianeti abitabili
MEarth project, transiti attorno a stelle di
tipo M (60000): tempi di circa 2
settimane, profondità 5 millesimi di
magnitudine. Rete di telescopi da 40
centimetri
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Alla ricerca della vita: cosa e come cercare
Si stimano 100 milioni di pianeti abitabili nella Galassia
• Pianeti di tipo roccioso, con dimensioni al massimo pari a 2-3 volte la Terra e
massa non superiore alle 7 volte
• Orbite non troppo strette giusta distanza dal Sole
• Stelle simili o meno brillanti del Sole
• Sistemi non multipli nella periferia della Galassia
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Dove cercare: la zona abitabile
La vita come la conosciamo ha bisogno solo di un elemento: acqua liquida
Occorrono le condizioni adatte affinché l’acqua possa esistere allo stato liquido
La zona abitabile è uno stretto “corridoio” nel quale un pianeta delle giuste
dimensioni potrebbe ospitare acqua liquida: condizione necessaria ma non
sufficiente (vedi punti precedenti)
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Come si può capire se un pianeta è simile alla Terra?
Se tutti i punti precedenti sono positivi
(massa, dimensioni, distanza dalla
stella, stabilità temporale e
gravitazionale), bisogna studiarne lo
spettro
Lo spettro di un pianeta extrasolare
può fornirci la prova dell’esistenza o
della possibilità di vita:
• Presenza di vapore acqueo
• Presenza di ossigeno: prova
inconfondibile della presenza di vita
aerobica
• Presenza di metano: prova della
presenza di vita anerobica.
E’ solo una questione di tempo: se esistono moltissimi pianeti di tipo “hotjupiter”, cosa impedisce l’esistenza di almeno la stessa quantità di pianeti
Earth-like? Nulla!
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Le impronte della vita sono nello spettro
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Le ricerche attuali sono ancora lontani dallo scoprire la vita…
Prima bisogna scoprire i candidati
alla giusta distanza e con le giuste
dimensioni:
• COROT-7b , 1,7 volte più
grande (in diametro) della Terra,
440 anni luce dalla Terra, densità
simile alla Terra pianeta
roccioso, ma molto caldo
• GJ 1214b, super Terra
• HD156668b 4 volte la massa
della Terra, Keck telescope,
velocità radiali (super Earths),
molto vicino alla stella
Kepler ha identificato almeno una decina di possibili candidati Earth-like;
prepariamoci ad una rapida successione di scoperte
Poi bisogna studiarne lo spettro…..100 volte più difficile rispetto allo
spettro di un hot-jupiter
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…ma cominciano ad arrivare risultati interessanti
La nana rossa Gliese 581
possiede due pianeti
all’interno della fascia di
abitabilità
Gliese 581C ha circa 5
volta la massa della
Terra, ma sembra più
simile a Venere
Gliese 581d ha 7 volte la
massa della Terra (metà
la massa di Urano) e si
trova ai margini della
zona abitabile. Condizioni
simili a Marte?
Gliese 581g è nel mezzo
della zona abitabile, poco
più grande della Terra.
Può essere un pianeta
vivibile?
Sono necessari telescopi più “potenti” per poter
avere conferme o smentite
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Prospettive future
Kepler dovrebbe identificare
almeno 60 pianeti simili alla Terra
e potenzialmente abitabili nei
prossimi anni
Darwin (ESA): 4 telescopi
interferometrici per rilevare
direttamente pianeti extrasolari
Terrestrial planet finder (NASA):
progetto simile a Darwin
Progetti senza una data certa:
possibile collaborazione ESANASA?
Siamo ad un punto di svolta nella conoscenza dell’Universo e nella ricerca
di una risposta all’eterna domanda: Siamo soli nell’Universo?
E’ ancora presto per dirlo con certezza, ma appare quantomeno improbabile
