Corso Base di Astronomia Daniele Gasparri Lezione 3, … · massa e distanza dalla stella, alla Terra Il nostro sistema solare è unico? NO! L’attuale popolazione planetaria è

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Lezione 3, 09/12/2010: I pianeti extrasolariLezione 3, 09/12/2010: I pianeti extrasolari- Come vengono scopertiCome vengono scoperti

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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

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

Gli albori di una rivoluzione astronomica

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


Come si scoprono i pianeti extrasolari?

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.

NO!

Come mettere in mostra la loro presenza?....................


(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:

…..Metodi Indiretti

Timing

5 Metodi principaliMetodo delle velocità radiali Metodo astrometrico

Metodo dei transiti

Microlensing


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 massaSe 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?


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

Metodo delle velocità radiali

Effetto doppler Curva di velocità radiali


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


Microlensing gravitazionaleUna 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


TimingLa 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


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.


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.

Dall’analisi spettroscopica del transito si può ricavare lo spettro prodotto dall’atmosfera del pianeta:

Si può scoprire la sua composizione atmosferica

Metodo dei transiti

Si possono scoprire pianeti dal raggio 30 inferiore alla stella.

Stella di classe M R=0,5 Rsole Rpianeta= 12000 Km= 2RTerra


…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

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....

Caratteristiche medie dell’attuale popolazioneDaniele Gasparri - - I pianeti extrasolari

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...

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


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


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?

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


Alla ricerca della vita: cosa e come cercareDaniele Gasparri - - I pianeti extrasolari

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

• Stelle simili o meno brillanti del Sole

• Orbite non troppo strette giusta distanza dal Sole

• Sistemi non multipli nella periferia della Galassia

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)


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 “hot-jupiter”, cosa impedisce l’esistenza di almeno la stessa quantità di pianeti Earth-like? Nulla!

Come si può capire se un pianeta è simile alla Terra?Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari

Le impronte della vita sono nello spettroDaniele Gasparri - - I pianeti extrasolari

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

Poi bisogna studiarne lo spettro…..100 volte più difficile rispetto allo spettro di un hot-jupiter

Le ricerche attuali sono ancora lontani dallo scoprire la vita…Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari

Kepler ha identificato almeno una decina di possibili candidati Earth-like; prepariamoci ad una rapida successione di scoperte

…ma cominciano ad arrivare risultati interessanti

Sono necessari telescopi più “potenti” per poter avere conferme o smentite

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?


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 ESA-NASA?

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


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