I pianeti extrasolari
G. Cutispoto
[email protected]
INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
XVI Scuola Estiva di Astronomia
Stilo (RC) - 29 Giugno 2011
Il Sistema Solare
Sole
Pianeti - Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno
Corpi Minori - Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete
Distribuzione della massa: Sole: 99.85 %
Pianeti: 0.13 %
CM: 0.02%
Distanza dal Sole: Mercurio: 0.39 UA Terra: 1 UA Giove: 5.20 UA
Periodi orbitali: Mercurio = 88 giorni Terra = 1 anno Giove = 11.86 anni
Il Sole è molto più
grande dei pianeti
Terra
Giove
Raggio del Sole = 696.000 km
Sole
Il raggio del Sole è 109 volte il raggio della Terra
Il volume del Sole è 1.300.000 volte il volume della Terra
Terra
Le orbite dei pianeti
Venere
Mercurio
Sole
Nettuno
Urano
Saturno
Marte
149.597.870 km = 1 UA
Nettuno: 30.1 UA
Eris: 97.6 UA
Giove
Origine del Sistema Solare
Il Sole si è formato a seguito della
contrazione di una “Nube Molecolare”
(probabilmente causata dall’esplosione
di una “Supernova”)
Contrazione del Sole
inizio: 4.6 miliardi di anni fa
durata: ~ 100000 anni
Intorno al Sole si formò un disco di
materia a partire dal quale, in circa 100
milioni di anni, si formarono i pianeti e i
corpi minori
Esistono altri Sistemi Solari ?
E’ un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico
Le prime intuizioni sulla “pluralità dei mondi”, e sull’esistenza di vita
intelligente su altre “terre”, risalgono alla civiltà ellenistica
(Aristarco, Democrito, Epicuro: “Esistono infiniti mondi sia uguali che diversi
dal nostro. Dobbiamo credere che in tutti questi mondi esistono creature viventi e
piante e le tante altre cose che vediamo in questo mondo” )
Ma Aristotele disse: “Non può esistere che un solo mondo”
Nel 1584 Giordano Bruno sfida le concezioni filosofiche e religiose
dell’epoca riproponendo l’idea di altri pianeti abitati (“Esistono
innumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli […] Vediamo solo le
stelle perché sono i corpi più grandi e sono luminosi, mentre i loro pianeti rimangono
invisibili perché sono più piccoli e non luminosi. Gli altri mondi nell’Universo non sono né
peggiori né meno abitati della nostra Terra’’)
Oggi sappiamo che la Via Lattea contiene circa 200 miliardi di stelle e che
nell’Universo esistono almeno 100 miliardi di galassie
Stelle, Nane Brune, Pianeti
Le “Stelle” generano energia nel loro interno tramite reazioni di
fusione (“bruciamento”) nucleare
La temperatura al centro di una stella aumenta con la sua massa
Per il “bruciamento” dell’Idrogeno è necessaria una temperatura di
almeno 10•106 K, mentre il “bruciamento” del Deuterio ha luogo ad una
temperatura più bassa ( 106 K)
“Stelle”: corpi con M > 0.08·MSole
(Tnucleo > 10 · 106 K)
- riescono a “bruciare” l’Idrogeno (0.08·MSole 8 5·MGiove)
“Nane Brune”: corpi con
0.012·MSole < M < 0.08·MSole (Tnucleo ~106 K)
- possono “bruciare” solo il Deuterio (0.012·MSole 1 3·MGiove)
“Pianeti”: corpi con M < 13·MGiove
- non possono produrre energia per mezzo di reazioni nucleari
Le nane brune (Brown Dwarf) sono “l’anello di congiunzione” tra le
stelle e i pianeti
Limite di bruciamento
dell’Idrogeno
Limite di bruciamento
del Deuterio
Pianeta
M > 0.08 MSole 85 MGiove
| M > 13 MGiove | M < 13 MGiove
Come osservare i pianeti “extrasolari” ?
I pianeti sono “piccoli”
Non emettono luce propria
Sono vicini alla “stella madre”
L’osservazione “diretta” è estremamente difficile; fotografare un
pianeta extrasolare è come cercare di vedere una candela vicino a
un faro da una distanza di 1000 km !
Molto più “facile” risulta l’osservazione dei “disturbi” che la
presenza di un pianeta provoca sulla stella attorno a cui ruota
Tecniche per l’osservazione
dei pianeti extrasolari
Velocità radiale
Astrometria
Transiti
Microlenti
Immagini dirette
Effetti dinamici
Effetti fotometrici
Effetto Doppler e Velocità Radiale
La radiazione di una sorgente in moto rispetto ad un osservatore
risulta “più rossa” se la sorgente si allontana, “più blu” se si avvicina
l osservata > lo
Dl = l osservata - lo > 0
l osservata < lo
Dl = l osservata - lo < 0
La velocità relativa sorgente–osservatore (RV) è data da: RV = c D l / lo
Se il moto è periodico osservazioni
spettroscopiche estese nel tempo
permettono di costruire la cosiddetta
“Curva di Velocità Radiale” (es. le
componenti di un sistema binario si
muovono attorno al loro centro di massa)
Binarie Spettroscopiche
Stella B
Se una componente ha massa minore avrà una
variazione di RV maggiore, perché percorrerà
un’orbita più grande
Centro di
Massa
Stella A
Stella B
Stella A
(Ma
RVa = Mb
RVb)
Il periodo della curva di RV equivale al periodo
di rivoluzione delle due stelle attorno al
centro di massa
Dalla forma della curva di RV è possibile
ricavare l’eccentricità delle orbite
La variazione di RV è di svariati km/s ed
equivale alla componente della velocità ‘’vera’
lungo la ‘’linea di visuale’’
Sistemi Stella + Pianeta
Lo spettro del pianeta non è
osservabile poiché la sua radiazione è
molto minore (~10-9) di quella della
stella
Pianeta
Stella
La velocità misurata è in
realtà solo la componente
della velocità lungo la linea di
vista dell’osservatore:
Voss = Vstella sin i
La variazione di RV della
estremamente piccola (al
poche decine di m/s) e per
sono necessarie misure di
precisione
i
stella è
massimo
rivelarla
altissima
Piano orbitale
Direzione
osservatore
Sistemi Stella + Pianeta
Dalla curva di Velocità
Radiale si ottengono:
K
P
K: ampiezza della curva
(funzione del rapporto massa
stella / massa pianeta e della
distanza stella – pianeta )
P:
periodo di rivoluzione del
pianeta attorno alla stella
Da questi valori possiamo ricavare:
la distanza stella – pianeta (terza legge di Keplero)
la velocità orbitale del pianeta
il valore minimo (MPianeta• sin i) della massa del pianeta (legge di
conservazione del momento angolare)
K
Terza legge di Keplero:
G · Ms
3
a =
P2
4p2
Velocità orbitale:
P
Vp = 2pa/P
Vp =
G · Ms
1/2
a
Legge di conservazione del momento angolare: Mp = Ms Vs / Vp
Dalle osservazioni otteniamo K (= Vs sin i) e quindi ricaviamo:
Mp sin i, ovvero il valore minimo della massa del pianeta
I valori ricavati sono ‘’in media’’ ben rappresentativi delle vere masse
planetarie; per una distribuzione casuale dell’angolo ‘’i’’ si ha infatti che
per l’87% dei casi sin i > 0.5 e solo per lo 0.5% dei casi sin i < 0.1
51 Pegasi b
Il primo pianeta in orbita intorno ad una stella (simile
al Sole) è stato scoperto nel 1995 con il metodo delle
velocità radiali da Michel Mayor and Didier Queloz
Periodo = 4.23 days
Distanza da 51 Peg = 0.053 AU
Temperatura ~ 1400 K
Massa > 0.47 MGiove
Sole
51 Peg
Un risultato accolto con parecchio scetticismo da molti astronomi !!!
Il metodo delle velocità radiali è quello che ha fin qui prodotto il
maggior numero di scoperte: 513 pianeti extrasolari
Gran parte hanno periodi orbitali
molto brevi e massa simile o
maggiore a quella di Giove; se si
trovano ad una distanza dalla loro
stella d ≤ 0.05 UA vengono chiamati
“Hot Jupiters”
Il metodo delle RV ha
permesso di identificare fino
ad oggi 51 sistemi multipli
I pianeti più piccoli osservati fino
ad oggi con la tecnica delle RV sono:
GL 581e
M
MTerra
sin i ~ 0.006 MGiove ~ 1.9
CoRoT-7b
M ~ 0.015 MGiove ~ 4.8 MTerra
Pianeti con M 5 MTerra vengono
chiamati “Super-Earth”
And
Pb = 4.6171 giorni
Pc = 0.7 anni
Pd = 3 anni
Non esistono quindi pianeti extrasolari con caratteristiche orbitali e
fisiche simili a quelle della Terra ?
Probabilmente (sicuramente) si, ma le “Terre” extrasolari non sono per
il momento osservabili con il metodo delle RV
L’ampiezza ‘’K’’ della curva di RV risulta infatti:
K ∝ Mp ∝ 1/ PMs2
3
Se osservassimo il Sole dallo
spazio otterremmo:
KSole+Giove ~ 12.5 m/s
KSole+Terra ~ 0.1 m/s
Attualmente le migliori misure
di RV hanno una precisione di
poco inferiore a 1 m/s
Terra
HARPS
High Accuracy Radial velocity Planetary Search
3.6m ESO – La Silla
Spettrografo “echelle” inserito all’interno di una camera a vuoto per
minimizzare gli errori dovuti a variazioni di temperatura e di pressione
atmosferica
E’ alimentato da due fibre ottiche, una registra lo spettro della stella
l’altra quella di uno spettro di riferimento (Th-Ar)
Potere risolutivo: 115000
Precisione: ~ 1 m/s
Pianeti scoperti: 75
Caratteristiche del metodo delle RV
Permette di:
• Scoprire un grande numero di pianeti
• Identificare i sistemi multipli
• Determinare l’eccentricità delle orbite
Ma:
• Otteniamo solo il valore minimo della massa
• Sono favoriti i periodi orbitali brevi
• Fornisce (ancora) una statistica non completa
Prospettive future:
ELT – misure di RV con precisione di 1 cm/s
Metodo astrometrico
Il moto apparente di una stella (vicina) non appare
rettilineo se intono ad essa orbita un pianeta
Stelle lontane
Stella vicina
Moto di una
stella singola
Moto di una stella con un pianeta
Moto del centro
di massa
= (M p /M s ) (a/d) [arcsec]
dove Mp è la massa del pianeta, Ms la massa della stella, a il
semiasse maggiore dell’orbita in AU e d la distanza in pc
Limiti di questo metodo:
• l’angolo è sempre estremamente piccolo (< 0.001 arcsec)
• si può applicare solo alle stelle più vicine
• richiede osservazioni su tempi “lunghi”
Moto apparente del Sole dovuto
alla presenza di Giove (e degli altri
pianeti) osservato da una distanza
di 10 pc. La variazione della
posizione del Sole è sempre minore
di 0.001 arcsec
Misurare un angolo di 0.001 arcsec equivale a vedere una
moneta da 1 € a 4700 km
(dalla Sicilia alla Groenlandia)
GL 876
Ms = 0.3 MSole
D = 15 anni luce
GL 876b
Mp = 1.9 – 2.4 MGiove
P = 61 giorni
a = 0.2 UA
0.005 arcsec
e Eri b Mp = 1.55 MGiove
Le dimensioni angolari di
una moneta da 1 € vista da
950 km di distanza
Misure Astrometriche – il futuro
Per stelle di tipo solare entro 10 pc
Da Terra: VLT, Keck
Precisione: 10-20 µarcsec
Massa limite ~ 60 MTerra (a = 1 UA)
Una precisione di 10 µarcsec equivale a
vedere una moneta da 1 € sulla Luna
Dallo spazio: Space Interferometry Mission (NASA – 2011)
Precisione: 2 µarcsec
Massa limite ~ 6.6 MTerra (a = 1 UA)
Metodo dei “transiti”
8 Giugno 2004, transito di Venere
sul disco solare osservato a Catania
Il transito di un pianeta
extrasolare non può essere
osservato direttamente, ma
provoca una seppur piccola
diminuzione della luminosità
totale della stella la cui
ampiezza è proporzionale alle
dimensioni del pianeta
Il metodo dei transiti permette di ricavare il raggio del pianeta e
l’angolo ‘’i’’
Dm = (Rpianeta / RStella)2
HD 209458 b
Dm
Scoperto con osservazioni da
Terra (Deeg e Garrido - 0.9m
Sierra Nevada Telescope) nel
Luglio 1999 e poi osservato
dallo spazio con HST (Brown
et al.)
Dm = 1.7 10-2 mag
R = 1.347 RGiove
‘’i’’ = 86°.6
La variazione di magnitudine del Sole per un osservatore posto fuori dal
Sistema Solare sarebbe pari a:
Dm = 8.4 10-5 mag per il transito della Terra (RTerra = 0.009 RSole)
Dm = 1.1 10-2 mag per il transito di Giove (RGiove = 0.103 RSole)
La probabilità di un transito è
funzione delle dimensioni dei corpi
coinvolti e della loro distanza:
P = (Rs + Rp) / a ≈ Rs / a
Dm
La durata di un transito dipende
anche dal periodo di rivoluzione del
pianeta e dall’angolo ‘’i’’
T=
𝑃
𝜋
(𝑅𝑠 /𝑎)2 – 𝑐𝑜𝑠2 𝑖
La precisione delle migliori misure
fotometriche da Terra è di circa
10-3 mag e consente quindi di
rivelare solo pianeti giganti
Solo le osservazioni dallo spazio
permetteranno di rivelare pianeti
di tipo terrestre con il metodo dei
transiti
Pianeta
P
T (h)
Dm
Mercurio
1.2 10-2
8
1.2 10-5
Venere
6.4 10-3
11
7.6 10-5
Terra
4.7 10-3
13
8.4 10-5
Marte
3.1 10-3
16
2.4 10-5
Giove
8.9 10-4
30
1.1 10-2
Saturno
4.9 10-4
40
7.5 10-3
Urano
2.4 10-4
57
1.3 10-3
Nettuno
1.5 10-4
71
1.3 10-3
I “transiti”: osservazioni dallo spazio
COROT - CNES/ESA
Lancio: 27 Dicembre 2006
Osserverà 60.000 stelle
KEPLER - NASA
Lancio: 7 Marzo 2009
Osserverà 100.000 stelle
Questi satelliti potranno scoprire:
• > 1000 pianeti medi/giganti
• 12 ”Terre” nella “zona abitabile”
Corot
26 pianeti, il più piccolo con M ~ 0.015 MGiove ~ 4.8 MTerra
Kepler
17 pianeti, il più piccolo con M ~ 0.007 MGiove ~ 2.3 MTerra
Caratteristiche del metodo dei transiti
Permette di:
• Scoprire pianeti con dimensioni simili a quelli della Terra
• Identificare sistemi multipli
• Rivelare la presenza di satelliti dei pianeti
Ma:
• E’ efficace solo se si osserva un grande campione di stelle
(per una
distribuzione casuale delle inclinazioni ‘’i’’ in media solo un sistema
planetario su 3000 risulta osservabile)
• Sono favoriti i periodi orbitali brevi e i pianeti più grandi
• Fornisce (ancora) una statistica non completa
Con il metodo dei transiti (da Terra e dallo spazio) sono stati
scoperti/osservati 141 pianeti (11 sistemi multipli)
Nella quasi totalità dei casi un pianeta scoperto con il metodo dei
transiti può essere osservato con il metodo delle RV
Misure di RV + fotometria transito
+
HD 209458 b
MPianeta = 0.69 MGiove
R = 1.347 RGiove
a = 0.048 AU
= 0.31 g/cm3
P = 3.5246 giorni
Metodo delle “Lenti Gravitazionali”
La forza di gravità è in grado di
deflettere la luce
Percorso “apparente” della
luce proveniente da una
sorgente lontana
La luce proveniente da una sorgente
lontana può essere deflessa e
focalizzata se una grande massa viene
a trovarsi lungo il cammino ottico tra
la sorgente e l’osservatore
Il risultato è un’amplificazione
del segnale della sorgente simile
a quella causata da una lente
(oppure in alcuni casi una deformazione
dell’immagine fino alla formazione di
immagini multiple)
Percorso reale della luce
Osservatore
Stella “lente”
Stella lontana
pianeta
Se la lente gravitazionale è
una stella (microlente) si
osserverà
un
aumento
temporaneo della luce della
stella
lontana
con
un
caratteristico picco
Se la lente gravitazionale è una stella con un pianeta, è
possibile osservare un picco secondario nella curva di luce
La durata dell’intensificazione luminosa principale è di
alcune settimane; quella del picco secondario varia da alcuni
giorni (pianeti giganti) ad alcune ore (pianeti terrestri)
Sono 10 i pianeti identificati fino ad oggi con il metodo
delle microlenti
OGLE-05-390L
(Distanza ~ 6.600 pc )
Mstella = 0.22 MSole
MPianeta = ~ 5.4 MTerra
a ~ 2.6 UA
P ~ 3800 g = 10.4 anni
Con questo metodo ci si aspetta di rilevare un pianeta con
dimensioni e caratteristiche orbitali simili alla Terra
entro cinque anni
OGLE235-MOA53
Mstella = 0.36 MSole
MPianeta = 2 MGiove (a > 2.9 UA)
Distanza = 5.200 pc
La scoperta di un secondo
pianeta (MPianeta = 0.007 Mstella
Distanza = 4.600 pc) è stata
annunciata il 26 Maggio 2005
Sono già stati osservati circa 50
eventi “microlente”
Ci si aspetta di rilevare un
pianeta con dimensioni simili alla
Terra entro cinque anni
(s)Vantaggi del metodo delle microlenti
Permette di:
• Scoprire pianeti di tipo terrestre (tecnologie già disponibili)
• Trovare pianeti anche a grandi distanze
Ma:
• Eventi rari
• Efficace
solo per studi su grandi campioni di stelle
• Le possibili scoperte sono casuali e sporadiche
• L'osservazione non può essere ripetuta
• Difficoltà di osservazione con altri metodi
Immagini dirette
E’ la tecnica più difficile ma è quella che può fornirci i risultati più
completi sulla fisica dei pianeti extrasolari e darci indicazione sulla
presenza di processi biologici
Problemi:
• Differenza di luminosità stella-pianeta (Sole-Giove = 108)
• Separazione angolare stella-pianeta (Sole-Giove = 0’’.5 visto da 10 pc)
Vantaggi:
• Visione dell’intero sistema planetario
• Dati fisici dei pianeti
Masse (dalle orbite)
Temperatura e composizione chimica (dagli spettri)
Raggi (dalla luminosità e dalle temperature)
Tecniche per le immagini dirette
Osservazioni IR: la differenza di
luminosità Stella – Pianeta è
sensibilmente ridotta
Ottica “Adattiva”: permette di
eliminare gran parte dei disturbi
causati dall’atmosfera terrestre e
di fruttare al massimo il potere
risolutivo dei grandi telescopi
Rapporto di luminosità Sole/Terra
5500 Å
10 m
Interferometria + “Nulling”: si
combina la luce raccolta da più
telescopi per ottenere un potere
risolutivo estremamente elevato
è anche possibile eliminare la luce
proveniente dalla stella (“Nulling”)
mettendo così in evidenza quella
proveniente dai pianeti
Ad oggi sono state ottenute
immagini dirette di 13 pianeti
extrasolari (a > 12 UA) e di un
sistema multiplo
2M 1207
2M 1207 a
M 0.025 Msole Età 8 106
anni
D 230 anni luce
2M 1207 b
M 4 MGiove
T 1300 K
E’ 100 volte meno luminoso di
2M 1207a ed è ancora in fase di
contrazione (R = 1.5 RGiove),
E’ stata rivelata
presenza di H2O
VLT: Camera IR + Ottica Adattiva
Fomalhaut b
Scoperto da HST
M = 3 ·MGiove
P = 878 anni
a = 115 U.A.
HR 8799
HR 8799 e
M = 9 ·MGiove
P = 49 anni
a = 14.5 U.A.
HR 8799 d
M = 1 0 ·MGiove
P = 100 anni
a = 24 U.A.
HR 8799 c
M = 1 0 ·MGiove
P = 189 anni
a = 38 U.A.
HR 8799 b
M = 7 ·MGiove
P = 465 anni
a = 68 U.A.
Immagine ottenuta con il telescopio Keck
Immagini dirette – il futuro (più vicino)
Da Terra sarà possibile osservare e
studiare le atmosfere dei pianeti giganti
con la nuova generazione di strumenti
installati ai telescopi di maggiori
dimensioni (VLT, LBT, Keck)
Con JWST e ELT sarà probabilmente possibile
studiare le atmosfere delle “Super-Earth”
Immagini dirette – il futuro (lontano)
Da Terra e dallo spazio sarà possibile osservare e studiare in
dettaglio le atmosfere dei pianeti giganti e delle “Super-Earth” entro
il prossimo decennio
Per osservare e studiare in dettaglio pianeti di tipo terrestre
occorreranno osservazioni interferometriche dallo spazio
Terrestrial Planet Finder (TPF) NASA
Darwin ESA
Permetteranno di:
• Osservare pianeti terrestri nella zona abitabile
• Determinare la presenza di CO2, H2O, l’O3, CH4
• Stabilire se il pianeta può ospitare forme di vita
Caratteristiche dei pianeti extrasolari
1995 .......... 51 Pegasi b (metodo delle RV)
1999 .......... HD 209458 (metodo dei transiti)
2011 .......... 563 pianeti extrasolari noti (vari metodi)
472 sistemi planetari (57 sistemi multipli)
aminimo = 0.014 UA
amassimo > 115 UA
Pminimo = 0.79 giorni
Pmassimo > 870 anni
Mminima = 0.007 MGiove ~ 2.3 MTerra
Scoperte ‘’inaspettate’’:
1. Hot Jupiters
2. Elevata metallicità delle stelle con pianeti
3. Sistemi multipli con orbite eccentriche
4. Orbite retrograde
Hot Jupiters
Sono pianeti con massa simile o maggiore a quella di Giove che si
trovano ad una distanza dalla loro stella dell’ordine di 0.05 UA
Circa l’1% delle stelle di tipo F, G
e K hanno un hot Jupiter
La distribuzione dei periodi
orbitali mostra un massimo per
P ~ 3 giorni
Pianeti a < 0.1 UA = 182
Pianeti con a < 0.05 = 118
Formazione degli Hot Jupiters
La quantità di materia presente nel disco protoplanetario a distanze
così piccole dalla stella è molto minore di 1 MGiove
Anche se la materia fosse disponibile la forza di attrazione della
stella impedirebbe la formazione del pianeta
Teorie della migrazione
1) Il protopianeta si forma a distanze molto maggiori dalla stella;
l’interazione con il disco produce una migrazione verso le regioni più
interne che si arresta quando il disco si disperde
2) Due o più pianeti di grande massa interagiscono, il risultato è la
migrazione di uno di essi verso le regioni più interne del sistema
Osservazioni di HD209458 b
hanno mostrato che il pianeta
ha un’estesa atmosfera dalla
quale viene emesso idrogeno al
tasso di 107 kg/s
Il ‘’tempo di evaporazione’’ di
un hot jupiter dipende dalla
sua massa e dalla distanza
dalla stella
Si stima che in 5 109 anni HD 209458 b abbia perso tra l’1% e il 7%
della sua massa iniziale
Metallicità delle stelle con pianeti
In Astroficica con il termine ‘’metalli’’ sono indicati tutti gli elementi
chimici tranne l’idrogeno e l’elio, il contenuto di metalli del Sole, in
massa, è di circa l’1.8%
La metallicità delle stelle è spesso espressa come [Fe/H], che
rappresenta il logaritmo del rapporto tra l’abbondanza di Ferro in quella
stella e quella del Sole (una stella con un’abbondanza di Fe 10 volte maggiore
del Sole avrà [Fe/H]=1, una con un’abbondanza 10 volte minore avrà [Fe/H]=-1)
Il Ferro non è il ‘’metallo’’ più abbondante nelle stelle, viene usato come
riferimento in quanto la sua abbondanza è tra le più facili da misurare
I valori di metallicità osservati sono compresi nell’intervallo -4 < [Fe/H] < +1
Per le stelle di Popolazione I: -1 < [Fe/H] < +1
Per le stelle di Popolazione II: -4 < [Fe/H] < -1
Una delle caratteristiche più
evidenti delle stelle con pianeti
è la loro elevata metallicità, la
percentuale di stelle con pianeti
è di circa il 3% per stelle con
-0.5 < [Fe/H] < 0.0 ma sale al
25% per stelle con metallicità
[Fe/H] > +0.3
Al momento è noto un solo
pianeta extrasolare la cui stella
ha [Fe/H] < -1.1
Teorie per l’alta metallicità delle stelle con pianeti
1) Il meccanismo di formazione dei pianeti è più efficace nei dischi
protoplanetari ricchi di metalli
2) L’eccesso di metalli è dovuto all’inquinamento dell’atmosfera stellare
causato alla caduta sulla stella di pianeti il cui processo di migrazione
li ha spinti troppo vicini alla stella madre
Eccentricità
Nel Sistema Solare un solo pianeta, il che equivale al 13%, ha
un’eccentricità maggiore di 0.10 (Mercurio e = 0.21)
Tra i pianeti extrasolari il 57%
ha un’eccentricità e > 0.1, con un
valore medio di <e> ~ 0.25
Di norma le eccentricità maggiori
si osservano nei sistemi multipli,
quelle più basse per i pianeti con
a < 0.1 UA
Si ritiene che gli elevati valori di ‘’e’’
siano il risultato di un’interazione
gravitazionale tra due o più pianeti,
che comporta una modesta migrazione
di uno di loro verso l’interno del
sistema ma un significativo aumento
dei valori di eccentricità
Siti web sui pianeti extrasolari
The Geneva Extrasolar Planet Search Programmes http://obswww.unige.ch/~udry/planet/planet_links.html
Enciclopedia dei Pianeti Exstrasolari http://exoplanet.eu/
California & Carnegie Planet Search - http://exoplanets.org/
JPL Planet Quest - http://exoplanets.org/linkframe.html
ESA Searching planets http://www.esa.int/esaSC/SEMYZF9YFDD_index_0.html
Alla ricerca della vita
Viviamo in un sistema planetario tipico ?
Sole
51 Peg
Nel nostro sistema planetario
non si è verificata la “migrazione”
di un pianeta gigante in prossimità
del Sole
Grazie al fatto che l’orbita di
Giove è quasi circolare le orbite dei
pianeti rocciosi risultano stabili
Ma la nostra statistica sulla struttura dei sistemi
planetari è ancora eccessivamente incompleta
Quante civiltà “evolute” in una galassia ?
L’equazione di Drake
N = S fs n fn fi f c L
N = numero di civiltà in grado di comunicare in una galassia; S = numero totale di stelle nella galassia;
fs = frazione di stelle con sistemi planetari; n = numero medio di pianeti adatti per lo sviluppo della
vita; fn = frazione di pianeti abitabili su cui la vita effettivamente si sviluppa; fi = probabilità che
l’evoluzione produca civiltà ‘’evolute’’; fc = frazione delle civiltà evolute che cercano (o sono in grado) di
comunicare; L = intervallo di tempo durante il quale una civiltà è in grado di comunicare
Stime “ottimistiche”: 1000
Dmedia 2.200 a.l.
Stime “pessimistiche”: 1
Problema della “distanza”
Problema della “contemporaneità”
La vita sulla Terra: tempi di evoluzione
- 4.5 miliardi: nasce la Terra
- 4 miliardi: prime rocce solide
- 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti
- 3.5 miliardi: primi batteri
età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni
- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gli
antenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra
- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis)
- 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens
(tempi in anni dall’epoca attuale)
E’ la regione entro la
quale un pianeta ha una
temperatura tale da
poter mantenere
l’acqua allo stato
liquido sulla sua
superficie
La composizione
dell’atmosfera
del pianeta
gioca un ruolo
fondamentale
Sulla Terra l’effetto serra
innalza la temperatura
media da -21 C a +15 C
Fascia di abitabilità
Venere
Sole
Mercurio
Terra
Marte
Formazione degli elementi chimici
La vita ha bisogno di “elementi pesanti”, ma il “Big Bang” ha prodotto
solo idrogeno ed elio
Gli altri elementi chimici si formano all’interno delle stelle
Le “Supernovae”: alla fine della
loro evoluzione le stelle di
grande massa (M > 8 MSole)
esplodono ed immettono nello
spazio gli “elementi pesanti”
precedentemente sintetizzati
nel loro interno
Inoltre “l’onda d’urto” favorisce
il collasso di nubi interstellari
Ma le Supernovae emettono anche fasci di particelle ad alta energia,
raggi X e raggi g, capaci di distruggere ogni forma di vita nel raggio di
migliaia di anni luce
La posizione del Sole nella Galassia
Localizzazione degli “elementi pesanti”
Le regioni centrali della Galassia
sono molto ricche di stelle e quindi di
elementi pesanti, ma sono anche
“pericolose” (Supernovae, interazioni
tra stelle)
Le regioni esterne sono “povere”
di elementi pesanti
Le regioni intermedie offrono le
migliori condizioni
Il Sole dista circa 30.000 anni luce dal centro della nostra galassia (la
“Via Lattea”); è la regione più adatta per l’esistenza di pianeti abitabili
Massa e “stabilità” del Sole
Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg
0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole
Per lo sviluppo della vita su un pianeta è essenziale che il flusso di
radiazione incidente (= temperatura) sia “costante”, ovvero che la
stella attorno a cui orbita il pianeta sia “stabile”
L
Il Sole produce energia nel nucleo con
reazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogeno
si trasforma in Elio
nucleo
Questa “fase evolutiva” del Sole ha una
durata di 10 miliardi di anni
Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvono
T
troppo
rapidamente
Se M = 2.5 · MSole l’idrogeno nel nucleo si
esaurisce dopo 1 miliardo di anni
Tra circa 5 miliardi
di anni, esaurito
l’idrogeno nel nucleo,
il Sole si evolverà in
“Gigante Rossa”
La temperatura sulla
superficie della
Terra diventerà
troppo elevata
La fascia di
abitabilità si
sposterà verso
regioni più esterne
del Sistema Solare
Questo processo
avviene tanto più
rapidamente quanto
maggiore è la massa
della stella
Venere
Il Sole
Sole tra
5 miliardi
di anni
Mercurio
Terra
Marte
Darwin
Sarà costituito da una flotta di
5-8 navette in “constellation
flight”:
- 3-6 telescopi IR da 3-4m
- 1 telescopio collettore (HUB)
- 1 navetta di comunicazione
Come potere risolutivo sarà equivalente ad un
telescopio con diametro di alcune centinaia di
metri
Potrà fornire immagini di sistemi planetari ed
analizzare la luce dei pianeti
E’ una missione finanziata (?) dall’ESA
Simulazione di un’immagine Darwin
Venere, la Terra e Marte visti da 30 anni luce
Terra
Venere
Marte
La luce proveniente dal Sole è soppressa
sfruttando l’interferenza distruttiva
Darwin potrà ottenere gli spettri della luce
riflessa dai pianeti
L’O3 è un impronta di
processi biologici
