Planetologia
Extrasolare
Introduzione e Sistema Solare
R.U. Claudi
1
PROGRAMMA CORSO
• Introduzione e Sistema Solare
•Metodi Osservativi
•Caratteristiche Pianeti extrasolari
•Cenni formazione dei pianeti Extrasolari
• Zone abitabili ed Evoluzione del Pianeta Terra
• Ricerca della vita
2
La ricerca di altri mondi non comincia
oggi…
I mondi si originano così: molti corpi di tutte le forme e dimensioni
si muovono dall’infinito in un grande vuoto dove si uniscono e producono
un singolo vortice, nel quale, urtandosi l’un l’altro e girando in vari modi
iniziano a separarsi (Leucippo ~480-420 a.C.)
In alcuni mondi non ci sono il Sole a la Luna, in altri sono più grandi
che nel nostro mondo, e in altri ancora più numerosi. Ci sono mondi
vuoti di creature o piante o ogni umidità (Democrito ~460-370 a.C.)
Ci sono infiniti mondi, sia simili che diversi dal nostro. Poiché gli atomi
sono infiniti in numero, come già dimostrato, non esiste alcun ostacolo
ad una infinità di mondi (Epicuro, 341-270 a.C.)
Ma Aristotele (384-322 a.C) sostiene che: Non può esserci più di
un mondo
3
…e per qualcuno non è stata salutare..
Giordano Bruno (1548-1600):
De l’Infinito, Universo et Mondi
Sostiene che l’universo è
infinito, vi sono infiniti mondi e che
questi sono tutti abitati da essere
intelligenti
4
Galileo, Kepler e i lunatici…
1610: Sidereus Nuncius
Mare
Terra
ipotizzò che la cavità lunare osservata da
Galileo fosse stata formata da abitanti
intelligenti che “...fecero le loro case in
numerose caverne”.
5
Vortici e dubbi….
Cartesio 1644: “Principia Philosophiae
Torna alla visione atomistica: vuoto riempito di
atomi. Creazione dei vortici, moto imposto da
Dio, formazione del sistema solare
Bovier de Fontenelle, (1688)
“Entretiens sur la pluralitè des mondes”
“if the fix’d stars are so many Suns, and our Sun the
centre of the Vortex that turns around him, why may not
every fix’d star be the centre of a vortex that turns
round the fix’d star? Our Sun enlightens the Planets, why
may not every fix’d star have planets to which they give
light?”
6
Primo approccio scientifico al problema:
Proctor e Flammarion
“Other worlds than ours” (1870) Non
è possibile dimostrare
l’esistenza della vita su altri
mondi
“Our place among infinities” (1875) Possibilità futura di vita su
Giove e Saturno
evoluzione
a
causa
“La pluralitè des mondes habites” (1862)
La teoria dell’evoluzione cosmica, bandisce il concetto
di antropocentrismo.
La vita si genera spontaneamente e poi evolve
seguendo i percorsi tracciati dalla sua interazione con
l’ambiente circostante.
7
EXOBIOLOGY…. la prima volta…
Joshua Lederberg (1925 2008)
1958: Premio Nobel per i
suoi lavori sulla genetica e
sulla capacità dei batteri
di scambiarsi geni
1960: “Exobiology: experimental approches to life
beyond the Earth”.
8
1963: La stella di Barnard e Peter van de Kamp
HIP 87937: Stella della costellazione di Ofiuco.
Tipo spettrale M4
Mv=9.5
Distanza=18.8 pc
μ=-798.71 mas/yr
Moto Proprio
μ=-798.71 mas/yr
Nel 1963 P. van de Kamp interpreta una perturbazione nel moto
proprio della stella come causato da un pianeta gigante di tipo
Gioviano.
1980: l’interpretazione viene smentita da misure indipendenti
9
1995, Mayor & Queloz annunciano 51 Peg b: il primo
pianeta extrasolare scoperto.
Curva di velocita’ radiale
Metodo di scoperta:
Oscillazione del baricentro
della stella per la presenza
del pianeta.
10
Il Sistema Solare
11
Posizione dei Pianeti
Saturno: n=5
Nettuno: n=7
Terra: n=1
Fascia asteroidi: n=3
Mercurio: n=-
Sole
Plutone: n=8
Venere: n=0
Urano: n=6
Giove: n=4
Marte: n=2
D(UA ) 0.47 0.3 2
n
12
I Pianeti Rocciosi o di tipo Terrestre
Mercurio
Marte
1) Vicini al Sole
Terra
Venere
2) Alta densità
3) Piccoli raggi
4) Piccole Masse
5) Elevata craterizzazione
6) Atmosfera: poca o nulla
7) Pochi satelliti
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PIANETI TERRESTRI: ROCCIA E METALLI
PIANETA
TERRA
MERCURIO
VENERE
MARTE
12756
4878
12104
6794
Densità (kg/m3)
5517
5500
5250
3933
Massa (Terra=1)
1
0.055
0.815
0.107
Gravità (Terra=1)
1
0.38
0.903
0.38
Velocità di fuga (km/s)
11.2
4.3
10.36
5.03
Distanza dal Sole (UA)
1.00000
0.38710
0.72333
1.52369
149.6
57.9
108.2
227.9
1
0.241
0.615
1.88
29.79
47.89
35.03
24.13
10
127
457
63
Diametro equatore (km)
Distanza dal Sole (106km)
Periodo orbitale (anni)
Velocità Orbitale (km/s)
Temperatura Superficiale (C)
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I Pianeti Gassosi o di tipo Gioviano
Giove
Saturno
Urano
1) Lontani dal Sole
Nettuno
2) Bassa densità
3) Grandi Raggi
4) Grandi Masse
Plutone
5) Atmosfere estese
6) Molti satelliti
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PIANETI GIGANTI: GAS, GHIACCIO, ROCCIA
PIANETA
GIOVE
SATURNO
URANO
NETTUNO
142796
120000
50800
48600
Densità (kg/m3)
1330
706
1270
1700
Massa (Terra=1)
318.832
95.162
14.536
17.139
Gravità (Terra=1)
2.643
1.159
1.11
1.21
Velocità di fuga (km/s)
60.22
32.26
22.5
23.9
Distanza dal Sole (UA)
5.20248
9.53884
19.18184
30.05798
778.3
1427
2869
4497.1
Periodo orbitale (anni)
11.867
29.461
84.013
164.793
Velocità Orbitale (km/s)
13.06
9.64
6.81
5.43
Temperatura Superficiale (C)
-148
-178
-213
-213
Diametro equatore (km)
Distanza dal Sole (106km)
Tutti emettono piu’ energia di quanta ne
ricevono dal Sole
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Età del Sistema Solare e Sua Misura
t
N t N 0 exp(t) N 0 exp0.693
1/ 2
Determinazione dell’età del sistema solare tramite il
17
metodo della datazione radioattiva. Età: 4.55 109 anni
Il Sistema Solare: fatti
osservativi
• Orbite: progradi, bassa eccentricità e complanarità
• Orbite comprese in circa 30 UA
• Presenza di corpi minori
• Rotazione Planetaria come rivoluzione (tranne Venere,
Urano e Plutone)
• Massa totale pianeti 0.2%, Momento angolare 98%
• Composizione chimica
• Età (4.5 Gyr)
• Meteoriti e Craterizzazione
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Formazione planetaria: Modello Standard
1. Formazione del disco
4. Formazione pianeti terrestri
2. Sedimentazione della polvere
5. Formazione dei pianeti giganti
3. Formazione dei planetesimi
6. Dissipazione del disco
19
FORMAZIONE DEI PLANETESIMI DALLA POLVERE DEL DISCO
Velocita’ di discesa nel piano mediano del disco lungo l’asse z (gravita’)
• = Densità della Particella
VZ= (2 z R) / (
g
• cs = velocita’ del suono
cs)
• g = densita’ del gas
10-9 g/cm3
= ( G M ٭/ r )½
R = raggio della particella
Per 1 m td 107 anni > eta’ della nebula !!!
Collisioni
sticking chimico
crescita in dimensioni vz R
td 104
Disco di materiale solido con particelle 1-100 mm
Formazione dei planetesimi ?
Instabilita’ gravitazionale
(Goldreich & Ward 1978)
Mp 16 2 G2 s3 / n4
1 – 10 km a 1 AU
TURBOLENZA!! La polvere
trascina il gas a VK.
Crescita continua fino
a 1-10 km. Attenzione
al drift veloce verso la
stella. 1 m impiega
100 anni. Sticking
chimico e meccanico?
Turbolenza?
Vortici (Tanga et al.
1996) planetesimi
crescono rapidamente
nei vortici per
instabilita’ o sticking
20
Simulazione che mostra come si possano formare planetesimi per
coagulazione durante la sedimentazione verso il piano mediano.
Importante e’ il calcolo delle velocita’ relative che dipendono
dall’interazione con il gas e la dimensione delle particelle di polvere.
Importante e’ la
risoluzione verticale
perché i corpi più
grossi tendono a
concentrarsi verso il
piano mediano.
Weidenschilling, 2000
21
22
Velocita’ relative tra i planetesimi: le equazioni
V2 = (5/8 e2 + 1/2 i2 ) V2K
Velocita’ quadratica media
Equazioni di Stewart & Wetherill (1989) per descrivere la variazione della V1 di
una popolazione di massa m1 a causa di interazioni con una popolazione di massa
m2 e V2. Contributo dovuto a scattering gravitazionale: eq. Fokker-Planck.
Collisioni inelastiche con eq. di Boltzmann.
A = 3/4 ½ ( G2 / V1) V12-3 v2 ln ….....Stirring
viscoso dovuto agli incontri gravitazionali a 2 corpi
B = ½ (m2 (v12 – v22) + 2 m1 v12) ….. Stirring
viscoso dovuto a collisioni inelastiche
d V1 / dt = A + B + C + D + E
C = - ½ (R1 + R2)2 V12 ……… Riduzione dell’energia
termica causato da collisioni inelastiche
D = 4 ½ L G2 (m2 v22 – m1 v12) ….. Riduzione
dell’energia termica per frizione dinamica
(equiripartizione dell’energia)
E = - CD / (2m) g Vgas R2 Gas drag.
V relativa fondamentale per modellare collisioni che a loro volta
23
determinano la velocita relativa!!!
Runaway growth
Formazione di protopianeti
dei Grandi Impatti (formazione della Luna).
Fase
I protopianeti a causa delle mutue perturbazioni
gravitazionali aumentano le proprie eccentricita’ e le
orbite si intersecano: collisioni tra i protopianeti.
24
Asteroidi e Comete
Alcuni miliardi di planetesimi
ruotano attorno alla
protostella su orbite
Kepleriane
I planetesimi collidono e formano
oggetti piu’ grossi fino ai pianeti e il
nucleo dei pianeti giganti. Asteroidi e
comete sono i planetesimi residui della
processo di formazione planetaria25
Origine della Luna
per un giant impact.
Il proiettile era
forse delle
dimensioni di Marte.
La Luna si
riaccumula dal
disco di debris
intorno alla Terra.
26
Accumulazione planetesimale in protopianeti t 1 –
5 Myr (pianeti terrestri), ≤ 1 Myr (pianeti giganti??)
Stadio dei "grandi Impatti": t 1-100 Myr a seconda
della densità superficiale del disco s (formazione della
Luna).
"Gas infall" sui pianeti giganti (t 103-104 anni).
Pianeti
terrestri
(rocciosi)
Condensano
materiali
refrattari (silicati,
metalli) Ms / Mg
1/240
Pianeti giganti
Involucro: gas (H,
He..)
Core: roccia + ghiaccio;
4 UA (Frost line) T 170 K
Condensano ghiacci H2O, CH4,
NH3
Ms / Mg 1/60
27
Sequenza di Condensazione
TCOND
Materiale
Pianeta
(K)
TFORM
(K)
1500
Ossidi Metallici
Mercurio
1400
1300
Ferro e Nichel
Metallici
1200
Silicati
1000
Feldspati
(allumosilicati)
Venere
900
680
Troilite (FeS)
Terra e Marte
600 e 400
175
H2O (ghiaccio)
Gioviani
175
150
Ammoniaca, H2O
(ghiaccio)
120
Metano, H2O (ghiaccio)
65
Argon-Neon Ghiaccio
Plutone
65
28
Atmosfere Planetarie
Definizione Esosfera
Parametro di Fuga
v inf
X
v 0
2
29
Atmosfere Planetarie
30
STRUTTURA DEI PIANETI
GIGANTI
Giallo: idrogeno molecolare
Rosso: idrogeno metallico
Blu: ghiacci
Nero: roccia
31
Problemi del modello standard nel Sistema Solare:
Poca massa al presente nella Kuiper Belt
Tempi di formazione di Urano e Nettuno troppo lunghi ( 1 Gyr)
Troncamento della nebula
oltre Saturno e
migrazione di Urano e
Nettuno verso l’esterno
(Thommes et al. 2000;
Weidenschilling et al.
2004).
Tempi scala per la
formazione di U-N
comparabili con quelli di
G-S, meno massa nella
Kuiper Belt.
32
ALCUNI DEI PROBLEMI APERTI NEL SISTEMA SOLARE
La mancata formazione di un pianeta nella regione asteroidale
Tempo scala della formazione di Giove. Core?
Cosa ha indotto alte e e i nella regione asteroidale?
Evoluzione collisionale degli asteroidi
La formazione di Urano e Nettuno. Migrazione?
Origine della struttura dinamica della Kuiper Belt (scattered disk,
Plutini, disco ‘caldo’ e ‘freddo’....)
Massa, dimensioni e struttura della nebula presolare (MMSN?..)
Alte inclinazioni degli asteroidi Troiani di Giove
IL meccanismo generale di cattura dei Troiani.
Origine dei satelliti irregolari dei pianeti
Origine dei NEA
La Oort cloud?
33
Previsioni del modello standard
• Le orbite dei pianeti sono quasi circolari e
complanari
• I pianeti giganti si formano solo a grandi
distanze dalla stella centrale
• Nelle zone centrali (ed in particolare nella
regione di abitabilità) dovrebbero formarsi
pianeti rocciosi
34
Perché cercare pianeti fuori dal Sistema Solare?
Il sole è una stella di tipo abbastanza comune nella
Galassia. Lo è anche per quanto riguarda la presenza
del Sistema Planetario?
Come trovare altri “Soli”?
35
Il processo di nascita delle
stelle è continuo, e anche
oggi potrebbero esserci dei
dischi protoplanetari nelle
regioni ricche di gas e
polveri.
36
Il primo disco protoplanetario
scoperto otticamente è stato
quello di b Pictoris, nel 1984.
37
Nella grande nebulosa di Orione sono stati identificati circa 60
dischi protoplanetari, in una fase evolutiva simile al sistema
solare primigenio.
Una tale abbondanza di dischi fa pensare che la loro
formazione sia un fenomeno comune nella galassia.
38
Low-mass PMS stars
Class II
Class III
Class I
39
Alcune stelle si trovano oggi nella fase in cui si trovava
il Sistema Solare circa 4 miliardi di anni fa, la fase TTauri, caratterizzata da getti di materia. Queste stelle
vengono denominate ‘oggetti Herbig-Haro’
Quindi esistono numerosi dischi in cui
attualmente si stanno formando nuovi pianeti.
Data la loro dimensione, ~30 miliardi di km,
essi sono facili da rivelare.
Esistono anche altri pianeti già
formati?
40
Un pianeta già formato è molto piccolo
rispetto ad una stella. Giove ha un diametro di
140 mila km e la sua luce riflessa sarebbe
difficilissima da rivelare attorno ad un’altra
stella.
60 MJ
Gliese 623A e B
20-50 MJ
Gliese 229A e B
41
