Gli esopianeti

ESOPIANETI
METODI DI SCOPERTA
A CURA DI:
• Laura Morselli
• Chiara Verdirame
OUTLINE OF THE TALK
1. Introduzione: Cosa sono gli esopianeti?
2. I metodi di scoperta degli esopianeti
3. Considerazioni generali sugli esopianeti
scoperti
4. Sistemi interessanti
5. Missioni
Cosa sono?
Gli esopianeti (E.P.) sono pianeti non appartenenti al
Sistema Solare, orbitanti cioè attorno a una stella diversa dal
Sole.
Al 22.06.2011 ne sono stati individuati 562.
Fino ad oggi, si conoscono soprattutto pianeti di tipo
gigante gassoso, più semplici da rivelare rispetto a pianeti di
tipo roccioso.
Metodi di scoperta degli E.P.

Metodi dinamici




Metodi fotometrici




Metodo della velocità radiale
Astrometria
Pulsar Timing
Transito
Lensing gravitazionale
Metodi di Imaging
Tecniche alternative
Velocità Radiali
Lo studio delle variazioni della velocità radiale di una stella,
dovute al movimento attorno al centro di massa del sistema
stella-pianeta rappresenta attualmente il sistema più efficace per
la ricerca di E.P.
Dallo spostamento Doppler delle righe di uno
spettro di una stella si riesce a dedurre vr.
E' possibile costruire la curva della velocità
radiale vr di una stella avente massa M* ,
dovuta all'interazione gravitazionale con un
oggetto di massa mp
Dall'andamento della vr possibile ricavare:
il periodo orbitale
 l'eccentricità
 a · sini
 m · sini
p

Questo metodo favorisce la rivelazione di sistemi con pianeti
massivi su orbite vicine alla stella, quindi per la terza legge di
Keplero, con periodi brevi.
Astrometria
Il metodo consiste nel misurare lo spostamento
di una stella sulla sfera celeste dovuto alla
presenza di un Pianeta.
Nel suo moto attorno al baricentro del sistema
la stella percorre un’orbita che, proiettata sul
piano perpendicolare alla linea di osservazione,
risulta essere un’ellisse avente semiasse
maggiore di dimensioni angolari
.
Θ = (mp /M∗)( a/d)
L’astrometria, a differenza del metodo della velocità radiale,
può essere applicata anche a stelle in rapida rotazione e
molto attive.
Dalla combinazione dei due metodi (astrometria e velocità
radiale), al 22/06/2011 sono stati individuati 512 esopianeti.
http://exoplanet.eu/catalog.php
VB 10
LA STELLA
IL PIANETA
Distanza ≈ 6 pc
Primo pianeta scoperto per
astrometria.
Teff ≈ 2700 K
Non rivelato da 6 precedenti misure
di velocità radiale.
Classe spettrale M8 V
Primo pianeta scoperto attorno ad
una stella ultra-fredda.
Età ≈ 1 Gyr
M = 6.4 Msun
Metallicità Solare
P= 0.777 yr
S.H.Pravdo et al, 2009, APJ
Pulsar Timing
La presenza di un Pianeta attorno ad
una Pulsar si traduce in una
variazione dei tempi di arrivo degli
impulsi emessi. Il movimento attorno
al centro di massa della stella fa sì
che i segnali presentino un piccolo
ritardo nell’arrivo se la Pulsar si
allontana dall’osservatore e un
anticipo se la Pulsar si avvicina.
Questa variazione, dovuta al diverso cammino della luce, non è
risolvibile senza un riferimento temporale stabile che è invece
fornito dalla rotazione delle Millisecond Pulsar.
Grazie alla stabilità intrinseca delle millisecond Pulsars e alla
precisione delle misure si può apprezzare una variazione nella
frequenza d’arrivo degli impulsi dell’ordine di ∆v /v ≈ 10 -11 che
permette di rivelare Pianeti con M < MT.
Utilizzando questa proprietà, nel
1992 Wolszczan riuscì a rivelare la
presenza di tre pianeti, di massa
confrontabile con quella della Terra,
orbitanti attorno alla pulsar
PSR 1257+12.
Il limite maggiore di questo metodo sta nel campione molto ristretto
di Pulsars conosciute, infatti i pianeti individuati con questo metodo,
al 22/6/2011, sono 13.
Metodi fotometrici
Metodo del transito
Il disco di una stella può
essere parzialmente
eclissato da un pianeta
provocando una
variazione temporanea
della luminosità
dell’astro.
http://www.nasa.gov
Affinché possa avvenire un fenomeno di transito davanti al disco
stellare è necessario un quasi allineamento dell’orbita con la
direzione dell’osservatore.
 RP 
Foc  

 R 
2
Attraverso questo metodo è possibile determinare:
- il raggio del pianeta
- il periodo di rivoluzione
- l'inclinazione dell'orbita
e ricavare lo spettro di assorbimento dell'eventuale atmosfera.
Il metodo è utilizzato
nelle missioni:
- COROT
- KEPLER
Con il metodo dei pianeti transitanti, al 22/06/2011,
sono stati individuati 140 pianeti.
Osservazioni del 13 Marzo 2009
All’osservatorio di Loiano
Flusso relativo
XO-5
0.025
In verde è indicato il minimo 22:36 UT
In blu l’entrata 21:07 UT e l’uscita dal
transito 00:14 UT
Flusso relativo
tempo (JD)
0.05
~ 1 12’
h
00:14 UT
21:07 UT
22:36 UT
tempo (JD)
Lensing gravitazionale
Nelle lenti gravitazionali la luce proveniente da un oggetto
lontano è focalizzata da un corpo massivo interposto tra
l’osservatore e la sorgente.
Microlensing
Una tipica curva di
luce di un evento di
Microlensing:
il difetto della lente,
dovuto alla presenza
di un oggetto
orbitante come un
pianeta, si traduce in
un momentaneo
ed ulteriore aumento
della luminosità (il
picco
secondario).
Vantaggi:
- E' possibile osservare sistemi planetari a distanze molto grandi,
anche di qualche migliaia di parsec;
- Rivela pianeti con semiassi maggiori grandi senza bisogno di
lunghi tempi osservativi e con Mp < MT ;
Limiti:
- Il metodo consente di ricavare soltanto una stima del rapporto
delle masse del pianeta e della stella attorno a cui orbita;
- Gli eventi di lensing sono imprevedibili e non ripetibili.
Attraverso questo metodo, al 22/06/2011 sono stati rivelati 13
pianeti.
Direct Imaging
Il metodo di Imaging è il
metodo più diretto di
eseguire osservazioni;
consiste nel cercare di
rivelare il Pianeta come
una sorgente
puntiforme di luce
riflessa.
HR 8799
HR 8799 è una stella
bianca visibile nella
costellazione di Pegaso,
Il 13/11/2008 sono stati
scoperti 3 pianeti
orbitanti attorno ad essa;
Un quarto è stato
scoperto nel 2010.
Si tratta del primo sistema
planetario scoperto grazie
a direct imaging.
Coronografia
Riduzione dell’intensità della
parte centrale di
un’immagine attraverso
uno specchio e una
maschera tra lo specchio
principale del telescopio e il
piano dell’immagine; il
coronografo attenua la
luce della stella di un fattore
100.
A causa delle diverse temperature di Sole (6000 K) e Giove (165 K)
esiste una zona nello spettro di emissione di corpo nero che favorisce di
un fattore 105 il rapporto Lp/L*: questa zona cade nell’infrarosso a
λ ∼ 20 µm.
Risulta perciò molto conveniente lavorare a queste lunghezze d’onda
usando tecniche interferometriche dallo spazio.
Tecniche alternative
- Tracce su dischi di polvere
A differenza degli E.P. ad oggi è abbastanza semplice osservare
dischi protoplanetari: la loro emissione IR è sufficiente affinché
sia possibile la loro rivelazione anche con tecniche di Imaging.
La possibilità di risolvere strutture all’interno di dischi
di polveri attorno a stelle può essere sfruttata per la ricerca di
E.P.
La presenza di un pianeta all'interno del disco può indurre una
particolare configurazione, dipendente dal tempo, delle particelle del
disco.
- Emissione Radio da Pianeti Extrasolari
Giove ha un’intensa emissione di radiazione alla lunghezza
d’onda di qualche decina di metri (Radiazione Decametrica),
dovuta all’interazione magnetica con il satellite Io.
Si pensa che E.P. di tipo gioviano possano essere rivelati
osservando nel radio una simile emissione di radiazione.
Questo metodo può portare a una scoperta solo se il pianeta
irraggia con notevole intensità.
- Emissione di Onde Gravitazionali
Riportiamo la proposta che pianeti giganti orbitanti vicino alla
loro stella possano emettere Onde Gravitazionali di ampiezza
sufficiente per essere osservate.
Sebbene questo effetto non possa essere considerato un
metodo per la scoperta di Pianeti Extrasolari rimane di grande
interesse per l'astrofisica gravitazionale.
Alcune considerazioni sugli EP scoperti…
La maggior parte dei sistemi planetari extrasolari, in base a
quanto è stato possibile osservare fino ad oggi, non
assomiglia al nostro, caratterizzato da:
•
Orbite circolari
• Distinzione tra pianeti interni, rocciosi e di piccole
dimensioni e quelli esterni, gassosi e giganti.
Circa il 10% delle stelle di tipo solare ha esopianeti.
Circa la metà degli EP scoperti ha e >0.1
Range di massa (0.002-13) MJ , se M>13 MJ Nane Brune
Circa il 40% degli EP dista dalla stella meno di Mercurio
dal Sole
Sottolineiamo che…
…le tipologie dei pianeti scoperti dipendono
molto dalle limitazioni dei metodi usati.
Non si esclude l’esistenza di altri tipi di
esopianeti che ad oggi non siamo in grado di
osservare con gli strumenti a disposizione.
Sistemi interessanti
51 Pegasi b
Primo E.P. scoperto con il metodo della
velocità radiale, nel 1995, utilizzando
spettrografi ad alta risoluzione.
•Periodo orbitale: 4.23 giorni
•M: 0.5 MJ
•a: 0.052 AU
•Orbita circolare, e=0
•Vr=13 m/s
Posizione di 51 Pegasi nella
costellazione di Pegaso.
CARATTERISTICHE DELLA STELLA
• Nana gialla, tipo spettrale G2-V
• Raggio medio: 1.15 - 1.4 Rsolare
• Massa: 1.04 Msole
• Luminosità: 1.30 Lsole
• Temperatura superficiale: 5665 K
• Metallicità: 1.6 quella del Sole
• Età stimata: 7.5 miliardi di anni
HD 209458
•
•
•
•
•
•
•
Tipo spettrale G0-V
Raggio medio: 1.8 Rsolare
Massa: 1.1 Msolare
Luminosità: 1.61 volte quello del Sole
Temperatura superficiale: 6000 K
Metallicità: 1.09 quella del Sole
Età stimata: 4.7 x 109 anni
Posizione di HD 209458 nella costellazione
di Pegaso.
Variazione di velocità radiale e di luminosità della stella
HD 209458 b
È il primo pianeta scoperto con il metodo
del transito.
È un gigante gassoso (T≈ 1000K) che ruota
a 0.047 UA dalla stella.
L'eccessiva vicinanza alla stella espone
l’atmosfera alla forza del vento stellare,
generando in direzione opposta una lunga
coda di gas. Nell’aprile 2007 fu avanzata
l'ipotesi che nell'atmosfera del pianeta
potessero essere presenti tracce di vapore
acqueo, ipotesi poi confermata dai dati
osservativi nella seconda metà del 2009.
•Periodo = 3.524738 d
•Massa = 0.69 ±0.05 MJ
•Raggio = 1.35 ±0.04 RJ
•Densità = 0.35 ±0.05 g/cm3
55 Cancri
Sistema binario attorno a cui
orbitano 5 pianeti.
e
b
c
f
d
M/MJ
0.034
0.824
0.169
0.144
3.835
P(d)
2.817
14.65
44.3
260
5218
a (AU)
0.038
0.115
0.24
0.78
5.77
Il Sistema Solare confrontato con
quello di 55 Cancri A.
CARATTERISTICHE STELLA
• Tipo spettrale G8-V
• Raggio medio: circa 1 Rsolare
• Massa: 0.95 ± 0.1 Msolare
• Luminosità: 0.63 Lsole
• Temperatura superficiale: 5250 K
• Età stimata: 4.5 x 109 anni
HD 10180
Stella di tipo solare, a 128 a.l. dalla Terra, attorno alla
quale ruota un sistema planetario di 7 componenti.
EP
a sini (AU)
P(d)
b
c
d
e
f
g
h
0.022
0.064
0.129
0.270
0.493
1.422
3.40
1.178
5.760
16.358
49.75
122.76
601.2
2222
m sini(mT)
1.35
13.10
11.75
25.1
23.9
21.4
64.4
Gliese 581
Sistema planetario di 6 pianeti, due
dei quali all’interno della fascia
abitabile.
M/MJ
P(d)
a(AU)
e 0.006
3.14942 0.03
b 0.049
5.3683
0.041
c 0.0158 12.932
0.073
d 0.0243 83.6
0.25
CARATTERISTICHE DELLA STELLA
•
•
•
•
•
Nana rossa, M 3
Luminosità: 0.13 Lsole
Massa: 0.31 Msole
Temperatura superficiale: 3480 K
Età stimata: 4.3 miliardi di anni
Gliese 581
I pianeti del sistema Gliese 581 sono stati scoperti grazie allo
spettrografo HARPS, uno degli strumenti più precisi nell’effettuare
misure spettroscopiche. Installato al telescopio dell’ESO a La Silla
in Cile raggiunge una precisione nella misurazione della velocità
radiale dell’ordine di 1 m/s.
OGLE-06-109L
Primo esempio di sistema
simile al sistema solare,
scoperto via microlensing nel
2008.
CARATTERISTICHE DELLA
STELLA
•nana rossa
•Massa: 0,5 Msolari.
CARATTERISTICHE DEI
PIANETI
2 pianeti giganti:
b
c
M/MJ
0,71
0,27
a /AU
2,3
4,6
Confronto tra il Sistema Solare e OGLE-06-109L
KEPLER 11
Il 2-2-2011 il Telescopio Kepler annuncia la scoperta di un sistema planetario di 6
componenti attorno alla stella Kepler 11, che dista dalla Terra circa 2000 anni luce.
Jack Lissauer, uno dei responsabili
della missione Kepler, commenta così
la scoperta:
“Il sistema planetario Kepler 11 è
incredibile.
È incredibilmente compatto,
incredibilmente piatto, c’è un
incredibile numero di pianeti giganti
che orbitano vicino alla stella. Non
sapevamo nemmeno che un tale
sistema potesse esistere.”
Caratteristiche di Kepler 11
R =1,1 ± 0,1 R⊙
M = 0,95 ± 0,1 M⊙
T = 5680 ± 100 K
[Fe/H] = ± 0,1
Età stimata = 8 ± 2 × 109 anni
Proprietà dei pianeti
EP
b
c
d
e
f
g
Periodo(d)
10.3
13.0
22.7
32.0
46.7
118.4
Massa (MJ)
0.014
0.042
0.019
0.026
0.007
<0.95
Missioni
Missione Kepler (NASA)
• Determinare abbondanza
di pianeti terrestri e giganti
all’interno della zona
abitabile;
• Determinare la
distribuzione e le dimensioni
delle orbite degli esopianeti
scoperti;
• Identificare le componenti
di sistemi planetari e
determinare le proprietà
delle stelle che li ospitano.
Immagine da www.nasa.gov
Caratteristiche di Kepler
• Per rivelare la presenza di nuovi pianeti, Kepler utilizza il metodo dei
transiti;
• È costituito da un telescopio di 0.95 m di diametro;
•Durata prevista della missione: 3.5 anni;
• Lanciato il 7.3.2009
Aspettative
• In base al numero e alla tipologia dei pianeti scoperti si potrà risalire
all’abbondanza di tali pianeti all’interno della Via Lattea;
• Capire la distribuzione delle orbite dei pianeti;
• Determinare le caratteristiche dei sistemi planetari;
…. e in ultimo….
• Trovare un pianeta molto simile alla Terra in cui si sia sviluppata la
vita??
Risultati fino ad ora ottenuti: 1235 candidati , 16 EP confermati
Convection Rotation and planetary Transit
COROT (ESA)
Obiettivi:
•Scoprire nuovi esopianeti, anche
rocciosi, sia di grandi che di piccole
dimensioni, tramite il metodo del
transito;
• Studiare gli interni stellari ed, in
particolare, i fenomeni di
astrosismologia.
Lanciato il 27.12.2006. La missione, che inizialmente doveva durare 3
anni, è stata prolungata fino al 2013.
È posizionato su un’orbita circolare polare a 896 Km dalla superficie
terrestre.
GAIA (ESA)
Obiettivi
• Investigare le origini e
l’evoluzione della Via Lattea,
determinando accuratissime
coordinate di milioni di
stelle, in modo da costruire
la più completa mappa 3D
degli oggetti celesti della
Galassia.
• Scoprire nuovi esopianeti.
Lancio previsto per il 2013.
Durata prevista della
missione: 5 anni (2018).
Rappresentazione di GAIA in orbita
(www.sci.esa.int)