Dolci - I pianeti extrasolari

I pianeti extrasolari
Mauro Dolci
INAF – OATe / SAIt
VIII Scuola Estiva di Astronomia
Saltara (PU), 16 – 18 luglio 2013
…a pale blue dot…
Da questo distante punto di osservazione, la Terra può non sembrare di
particolare interesse. Ma per noi, è diverso. È qui. È casa. È noi.
Su di esso, ogni essere umano che sia mai esistito ha vissuto la propria
vita. Gioie e dolori, religioni e ideologie, eroi e codardi, creatori e
distruttori di civiltà, madri e padri, santi e peccatori sono vissute lì, su un
minuscolo granello di polvere sospeso in un raggio di sole.
L'astronomia è un'esperienza di umiltà che forma il carattere. Non c'è
forse migliore dimostrazione della follia delle vanità umane che questa
distante immagine del nostro minuscolo mondo.
Per me, sottolinea la nostra responsabilità di occuparci più gentilmente
l'uno dell'altro, e di preservare e proteggere il pallido punto blu, l'unica
casa che abbiamo mai conosciuto.
Carl Sagan
(1934 - 1996)
…sì che io ho dechiarato infiniti mondi
particulari simili a questo della terra, la
quale intendo un astro, simile alla
quale è la luna, altri pianeti et altre
stelle, le qual sono infinite; et che tutti
questi corpi sono mondi et senza
numero, li quali constituiscono poi la
università infinita in uno spatio infinito;
et questo se chiama universo infinito,
nel qual sono mondi innumerabili
Giordano Bruno, 1548 – 1600
MATERIALE IN ORBITA
INTORNO ALLE STELLE:
UNA «VERITÀ DA SEMPRE»…
Sistemi stellari doppi e multipli
1
Epsilon Lyrae: un sistema doppio-doppio
2.3’’
2
Sistemi stellari doppi e multipli
Solo dopo l’invenzione del telescopio si cominciano a
scoprire sistemi stellari binari e multipli.
1779 – 1803 William Herschel
Primo catalogo di circa 700 sistemi
9 luglio 2013 - Il Washington Double Star Catalog
(USNO) annovera 126.211 sistemi
(fonte: USNO – United States Naval Observatory)
Dischi protoplanetari
Grazie alla disponibilità di
immagini ottiche e infrarosse ad alta risoluzione prodotte dal satellite IRAS e
dal Telescopio Spaziale
Hubble, si cominciano a
scoprire dischi e anelli di
materia prima intorno
a Vega e Fomalhaut
e poi intorno ad un
numero sempre
più grande di
stelle.
Dischi protoplanetari
Giove: la “stella mancata”
LA RIVOLUZIONE DEGLI ANNI ‘90
IL CAMMINO VERSO LA SCOPERTA
DEI PIANETI EXTRASOLARI
1984  Pictoris (disco di materia)
1989 HD114762 (nana bruna compagna)
1991 PSR 1257+12 (due pianeti)
1992  Cephei (oscillazioni stellari)
1995 51 Pegasi !
M. Mayor & D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a
solar-type star, Nature 378, 355-359 (23 Nov 1995)
Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari
27 Giugno 2013
906 pianeti identificati
in 700 sistemi planetari
(di cui 134 con più di un pianeta)
+ 192 in corso di studio
in 168 sistemi (di cui 18 multipli)
(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)
Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari
27 Giugno 2013
906 pianeti identificati
in 700 sistemi planetari
+ 192 in corso di studio
in 168 sistemi (di cui 18 multipli)
(di cui 134 con più di un pianeta)
(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)
+
> 3200 candidati dalla
Missione Spaziale Kepler !
KEPLER
(2009 – 2016  2013?)
KEPLER
- Telescopio spaziale con specchio primario da 1.4 m
- Fotometro per la ricerca di transiti extrasolari da pianeti di
tipo terrestre intorno a stelle di sequenza principale
- Ricerca nel piano galattico, nelle regioni del Cigno, della
Lira e del Drago
- Lanciato nel 2009, missione prolungata fino al 2016
- Guasto ad un giroscopio (maggio 2013): fine missione ?
- Oltre 3400 transiti candidati in una piccola regione di cielo
Proiezioni statistiche:
1) almeno 1/3 delle stelle della Via Lattea -circa 80 miliardipotrebbero avere sistemi planetari;
2) nella Via Lattea potrebbero esistere oltre 15 miliardi di
pianeti di tipo terrestre.
Declinazione (gradi)
Un cielo pieno di sistemi planetari
Orione
Ascensione retta (ore)
Triangolo Estivo
GrandeKEPLER
Carro
Stelle «famose» con pianeti…
Stella
RA
DEC
D (pc)
M (MJ)
T (d)
a (UA)
Anno
 Ari (Hamal)
02h 07m 10s
+23° 27′ 44″
20,2
1,8
380,8
1,2
2011
 Cen B
14h 39m 35s
-60° 50′ 15″
1,3
0,0036
3,2357
0,04
2012
 PsA
(Fomalhaut)
22h 57m 39s
-29° 37′ 20″
7,704
2
320000
115
2008
 Gem (Polluce)
07h 45m 18s
+28° 01′ 34″
10,34
2,9
589,64
1,69
2006
 Pic
05h 47m 17s
-51° 03′ 59″
19,3
7,0
7300
8,5
2008
 Leo A (Algieba)
10h 19m 58s
+19° 50′ 29″
38,5
8,78
428,5
1,19
2009
 Cep A (Alrai)
23h 39m 20s
+77° 37′ 56″
13,79
1,85
903,3
2,05
2003
 CrB
15h 57m 35s
+26° 52′ 40″
67,9
6,7
417,9
1,3
2012
 Eri
03h 32m 55s
-09° 27′ 29″
3,2
1,55
2502
3,39
2000
La stragrande maggioranza dei pianeti finora scoperti
si trova entro 100 anni-luce dal Sole
SOLE
ALFA-CEN
4,3 a.-l.
SIRIO
8,6 a.-l.
 70 anni-luce
I METODI DI RICERCA
1) Il metodo delle velocità radiali
STELLA
Baricentro
del sistema
Il moto del Sole intorno al
baricentro, causato da Giove,
ha una velocità di circa 6.5
m/sec
pianeta
1) Il metodo delle velocità radiali
1) Il metodo delle velocità radiali
1) Il metodo delle velocità radiali
2) Il metodo astrometrico
STELLA
Baricentro
del sistema
Lo spostamento del Sole
intorno al baricentro,
causato da Giove, ha
un’ampiezza, vista da 10 pc,
di circa 1 mas
pianeta
3) Il metodo dei transiti
Si va ad osservare e misurare la diminuzione temporanea
di luminosità della stella dovuta al passaggio di un
pianeta dinanzi ad essa.
3) Il metodo dei transiti
3) Il metodo dei transiti
3) Velocità radiali durante un transito
(effetto Rossiter-MacLaughlin, 1924)
4) L’imaging diretto
È il metodo più difficile, ma anche quello più sicuro. Grazie
ai grandi telescopi muniti di ottiche adattive, a tecniche
coronografiche, di nulling interferometry e di sottrazione del
segnale della stella centrale sempre più raffinate, si stanno
cominciando ad osservare veri e propri sistemi esoplanetari.
4) L’imaging diretto
4) L’imaging diretto
La risoluzione spaziale con le ottiche adattive si spinge fino a 0.04 arcsec
La visibilità con imaging diretto
𝒓
𝒇=
𝑫𝝑
r = distanza pianeta – stella (AU)
D = distanza stella – Sole (pc)
 = risoluzione spaziale (arcsec) = 0.04
Distanza
pianeta – stella
(AU)
Distanza stella – Sole (pc)
1.3
3
10
30
100
0.5
9
4
1.25
0.4
0.125
1
19
8
2.5
0.8
0.25
5
96
42
12
4
1.25
10
192
83
25
8
2.5
La complementarità dei vari metodi di ricerca
Porb
d
m
R

Tsurf
e
oth
orb
atm
chi
str
VEL
RAD
  
   
TRA
           
AST
  
IMG
DIR
           
  
L’efficienza dei vari metodi di ricerca
L’efficienza dei vari metodi di ricerca
𝐺𝑚𝑝 2
𝑀𝑆 𝑑
Velocità radiale della stella:
𝑣𝑆 ≅
Probabilità di transito:
𝑅𝑆
𝑝=
𝑑
Spostamento astrometrico:
𝑚𝑝
2𝑑
𝛼≅
∙
𝐷 𝑚𝑝 + 𝑀𝑆
Visibilità direct imaging:
𝒅
𝒇=
∙ 𝝋𝒍𝒖𝒎
𝑫𝝑𝒓𝒆𝒔
L’efficienza dei vari metodi di ricerca
ESOPIANETI E SISTEMI
ESOPLANETARI: CARATTERISTICHE
Lo stato della situazione
Pianeti extrasolari
1. Il numero di pianeti extrasolari scoperti annualmente è in continua
crescita.
2. Sembra che tutti possano rientrare in quattro ipotetiche classi:
• Hot Jupiters, pianeti giganti molto vicini alla stella madre;
• Earth-like (pianeti rocciosi di tipo terrestre);
• Super-Terre, pianeti di tipo roccioso aventi massa compresa tra quella
terrestre e quella di Nettuno;
• Pianeti-oceano, con grande prevalenza di acqua allo stato liquido
(profondità centinaia di Km).
Lo stato della situazione
Sistemi esoplanetari
1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita.
2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi.
3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il
100% , e maggiore nei sistemi compatti.
GLIESE 581 – Un caso davvero interessante
Gliese 581
(distanza  20 anni-luce)
6 pianeti ?
Nome
Gliese 581 e
T (giorni)
3.15
d (UA)
Note
0.03 (massa terrestre)
Gliese 581 b
5.4
0.04
Gliese 581 c
13
0.07
(roccioso ?)
Gliese 581 g
36.6
0.14
(terrestre abitabile ?)
Gliese 581 d
66.8
0.21
(abitabile ?)
Gliese 581 f
433
0.74
Lo stato della situazione al 2012
Sistemi esoplanetari
1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita.
2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi.
3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il
100% , e maggiore nei sistemi compatti.
4. Nessuno dei Sistemi Esoplanetari appare tuttavia simile al Sistema Solare.
5. Si sta aprendo un nuovo paradigma per le teorie sulla formazione ed evoluzione dei
sistemi planetari (le nostre conoscenze, relativamente al Sistema Solare, sono
probabilmente errate perché troppo specifiche).
6. Definitiva conferma (se ce ne fosse stato bisogno) che la legge di Titius-Bode non
esiste.
LA «HABITABLE ZONE»
ABITABILITÀ PLANETARIA
L’attitudine di un pianeta a sviluppare condizioni in
grado di ospitare forme di vita.
FASCIA DI ABITABILITÀ
(definizione classica)
L’intervallo di distanze da una stella, all’interno del quale
un pianeta di tipo terrestre è caratterizzato da temperature
superficiali tali da mantenere l’acqua allo stato liquido.
ABITABILITÀ (classica) NEL
SISTEMA SOLARE
Mercurio -150
Venere
 +450 °C
-110 °C
Giove
+ 480 °C
Terra
+ 15 °C
Marte
-50  +10 °C
-160 °C
Saturno
< -200 °C
Urano
< -200 °C
Nettuno
Limiti della definizione classica
1) si riferisce solo a pianeti di tipo terrestre;
2) la relazione tra temperatura del pianeta Tp e distanza
pianeta-stella d sembra dipendere solo dalle proprietà
della stella centrale (raggio RS, temperatura superficiale
TS), mentre dipende anche dall’albedo a e dall’emissività
media  del pianeta:
𝑻𝑷 =
𝟒
𝟏 − 𝒂 𝑹𝑺
∙
∙ 𝑻𝑺
𝜺
𝟐𝒅
ESEMPIO. Terra, senza atmosfera:
a = 0.38 ,  = 0.96
 TP  250 K = – 23 °C !
(eff = 0.615)
Utilizzando i dati terrestri effettivi (a = 0.38,  = 0.615),
invertendo la relazione per isolare d
𝑹𝑺 𝟏 − 𝒂 𝑻𝑺
𝒅=
∙
𝟐
𝜺
𝑻𝒑
𝟐
ed imponendo che la temperatura del pianeta sia compresa
tra +5 °C (278 K) e +55 °C (328 K), otteniamo le espressioni per
i limiti della fascia di abitabilità in funzione dei parametri
stellari R e T:
𝑹
−𝟖
𝒅𝑰𝑵𝑭 = (𝟐. 𝟏𝟕 × 𝟏𝟎 ) ∙
∙ 𝑻𝟐
𝑹𝑺𝑶𝑳𝑬
𝒅𝑺𝑼𝑷 = (𝟑. 𝟎𝟐 × 𝟏𝟎
−𝟖
)∙
espressi in Unità Astronomiche (AU).
𝑹
𝑹𝑺𝑶𝑳𝑬
∙ 𝑻𝟐
Tipi di stelle:
1) il colore (temperatura)
O
B
A
F
G
K
30000
10000
7500
6000
5000
3500






60000
°C
30000
°C
10000
°C
7500 °C
6000 °C
5000 °C
M
< 3500 °C
Tipi di stelle:
2) la luminosità (raggio)
giganti
subgiganti
subnane
supergiganti
nane
Classe
spettrale
O5
R / RSOLE
T (K)
dINF (AU)
dSUP (AU)
18
38000
564
785
B0
7.5
30000
146
204
B5
3.8
16400
22
31
A0
2.5
10800
6.3
8.8
F0
1.4
7200
1.57
2.19
G2
1
5777
0.72
1.00
K0
0.85
5150
0.49
0.68
M0
0.63
3920
0.21
0.29
Limiti della definizione classica
3) il criterio di base è legato all’acqua. Ma acqua pura o
acqua come solvente di soluzioni saline ?
4) non tiene conto della distribuzione spettrale dell’energia
che arriva sui pianeti della zona di abitabilità;
5) non tiene conto dell’evoluzione della stella centrale,
rapportata ai tempi necessarie per lo sviluppo della vita;
6) non tiene conto della stabilità della stella centrale;
7) non tiene conto di fattori esterni che possono
compromettere lo sviluppo della vita pur in una zona
abitabile circumstellare (zone di abitabilità galattica).
Le (strane) proprietà dell’acqua solida
Flusso di potenza (W m-2)
Conseguenze sulla fascia di abitabilità
40000 °C
20000 °C
6000 °C
3000 °C
Lunghezza d’onda (Angstrom)
UV
Vis
IR
La relazione massa-luminosità ed il tempo di
vita di una stella (in sequenza principale)
L  M ,
>0
EM
T = E/L  M1 – 
FASCIA DI ABITABILITÀ…?
1) Stelle blu = intense radiazioni ionizzanti
2) Stelle rosse = energia radiante forse insufficiente
3) Stelle gialle (di tipo solare…): forse OK
Tuttavia:
a) Stelle grandi (massicce): vivono molto poco
b) Stelle piccole: energia radiante forse insufficiente
c) Stelle variabili: sbalzi radiativi possibilmente letali
Zona di abitabilità galattica
I MAGGIORI limiti della definizione classica
8) la fonte di energia è di tipo radiativo (stella
centrale) e l’intera teoria si sviluppa intorno
all’equilibrio radiativo;
9) si basa sulla vita per come la conosciamo noi,
ovvero basata sulla chimica del carbonio.
Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare
(oltre la Terra)… ?
Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare
(oltre la Terra)… ?
La chimica della vita
C carbonio
H idrogeno
N azoto
O ossigeno
P fosforo
S zolfo
La base è l’ACQUA. Unica ?
Acqua e altri solventi organici
Specie
Formula
chimica
Tfus (°C)
Tebo (°C)
Tmin,f.a. (°C)
Tmax,f.a. (°C)
Acqua
H2O
0
+ 100
+5
+ 55
Metano
CH4
- 183
- 161
- 180
- 160
Ammoniaca
NH3
- 78
- 33
- 70
- 50
Metanolo
CH3OH
- 97
+ 65
- 90
0
Classe O5, R=18RSOLE, T=38000 K
Acqua
564 – 785
Metano
5719 – 8808
Ammoniaca
1220 – 1472
Metanolo
814 – 1812
Classe A0, R=2.5RSOLE, T=10800 K
Acqua
6.3 – 8.8
Metano
64 – 99
Ammoniaca
14 – 17
Metanolo
9.1 – 20
Classe G2, R=RSOLE, T=5777 K
Acqua
0.72 – 1.00
Metano
7.34 – 11.31
Ammoniaca
1.57 – 1.89
Metanolo
1.05 – 2.33
Classe M0, R=0.63RSOLE, T=3920 K
Acqua
0.21 – 0.29
Metano
2.13 – 3.28
Ammoniaca
0.45 – 0.55
Metanolo
0.30 – 0.67
EQUAZIONE DI DRAKE
(1961)
N = Ns  fp  ne  fl  fi  fc  fL
Ns = numero di stelle nella Via Lattea
fp = frazione di stelle con pianeti
ne = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita
fl = frazione di pianeti ne che ha effettivamente sviluppato la vita
fi = frazione di pianeti fl su cui si sono evoluti esseri intelligenti
fc = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare
fL = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà
evoluta
N = Ns  fp  ne  fl  fi  fc  fL
N = Ns  fp  ne  fl  fi  fc  fL
L’EQUAZIONE DI DRAKE
N = Ns  fp  ne  fl  fi  fc  fL
ESEMPIO
Ns = numero di stelle nella Via Lattea
200 miliardi
fp = frazione di stelle con pianeti
0,5
ne = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita
0,5
fl = frazione di pianeti ne che ha effettivamente sviluppato la vita
0,5
fi = frazione di pianeti fl su cui si sono evoluti esseri intelligenti
0,2
fc = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare
0,2
fL = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà
evoluta
1 milionesimo
(10.000 anni)
Paradosso di Fermi 
N = 1000
Una spiegazione del paradosso di Fermi.
Le grandi distanze astronomiche
(150 Km/h)
2560 ore > 3 mesi
(1000 Km/h)
384 ore = 16 giorni
Terra – Sole = 150 milioni di Km = 1 Unità Astronomica (UA)
> 114 anni
> 17 anni
Terra – Giove = 5,2-1 UA = 4,2 UA = 630 milioni di Km
 480 anni
 71 anni
Terra – Alfa Centauri  265000 UA  40.000 miliardi di Km
.... !!!
... !!!
IL PROBLEMA DELLA COMUNICAZIONE
M13
Le grandi distanze e il problema della comunicazione.
inizio
fine
Civiltà 1
t
PIANETA 1
d
Civiltà 2
PIANETA 2
t = d / c
t
SETI
?
La via opposta a Drake…
Ipotesi della « rarità della Terra »
Ward & Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the
Universe, Copernicus (Springer-Verlag), New York, 2000 (336 p.)
L’ «equazione della rarità della Terra»
N = Ns  fp  ne  fpm  fg  fi  fc  fL  fm  fj  fme
Ns = numero di stelle nella Via Lattea
ne = numero medio di pianeti, per sistema, nella zona abitabile stellare
fg = frazione di stelle nella zona di abitabilità galattica
fp = frazione di stelle con pianeti
fpm = frazione di pianeti rocciosi (non gassosi)
fi = frazione di pianeti con forme di vita elementare
fc = frazione di pianeti con forme di vita complesse
fl = frazione della vita del pianeta in cui è presente una forma di vita complessa
fm = frazione di pianeti abitabili con un grande satellite (come la Luna)
fj = frazione di sistemi con pianeti giganti
fme = frazione di pianeti ove siano accadute poche estinzioni di massa
I limiti delle «equazioni della vita»…
Se l’equazione di Drake appare molto ottimista e quella della rarità della
Terra è, al contrario, estremamente pessimista, va però detto che
quest’ultima accoglie fattori che Drake non ha considerato negli anni ‘60,
quali la zona di abitabilità galattica, i fattori stabilizzanti della Terra
(l’azione della Luna e le perturbazioni secolari dei pianeti giganti) e, in
ultimo, la «tranquillità» del sistema planetario, che evidentemente non deve
essere eccessivamente ricco di elevati fattori di rischio estinzione per la vita.
Tuttavia nessuna delle due considera, ad esempio, la possibilità
che la vita si sviluppi in pianeti dalla densa atmosfera, o su
satelliti rocciosi di pianeti, anche al di fuori della fascia di
abitabilità.
Una versione migliorata dovrebbe, ad esempio, non considerare
solo i «pianeti», ma tutti i corpi che appartengono al sistema
planetario e che, per un motivo o per l’altro, siano
caratterizzati da abitabilità.
… e le nostre conoscenze limitate
sul fenomeno «vita»
Qual è l’elemento chimico
VERAMENTE fondamentale per
la vita ?
L’importanza del FOSFORO nei processi
vitali
Adenina
Timina
Citosina
Guanina
Scheletro formato da blocchi di
2-deossiribosio giunti da gruppi fosfato
L’importanza del FOSFORO nei processi
vitali
Il «ponte» dei gruppi fosfato
si basa su un legame
particolare, detto legame
fosfodiesterico.
Solo il fosforo, per le sue
caratteristiche fisiche di
valenza ed elettronegatività,
è in grado di assicurare
questo legame…!
Il fosforo (e quindi la vita) portato sulla
Terra dai meteoriti ?
CONCLUSIONI
1) La ricerca di pianeti extrasolari e, fra questi, di pianeti
che ospitano forme di vita, è una scienza molto giovane.
2) Essa appare tuttavia estremamente promettente e
soprattutto di enorme valenza interdisciplinare.
3) La ricerca della vita richiede infatti conoscenze di
meccanica celeste, termodinamica, fluidodinamica,
astrfisica stellare e galattica, planetologia, geologia e
meteorologia planetaria, chimica, biologia,
astrobiologia.
4) Né vanno ignorate le implicazioni culturali in senso più
ampio, ad esempio filosofiche, antropologiche,
religiose, che vengono aperte dalla prospettiva che si
scoprano forme di vita aliene.
LA RICERCA PROSEGUE, A TUTTO CAMPO…!