Il primo pianeta extrasolare

di Giovanni Bignami e Patrizia Caraveo

Questo testo è un estratto di I marziani siamo noi (Zanichelli, second ed., ottobre 2019).

Sarebbe bello poter raccontare che tutto accadde in una notte fatale, come fu per Galileo e la sua osservazione dei satelliti di Giove.

Invece la scoperta del primo pianeta extrasolare, che risale al 1995, ha richiesto a due astronomi svizzeri, il professore ginevrino Michel Mayor e il suo studente Didier Queloz, molte notti di osservazioni spettroscopiche e poi un’analisi dei dati durata parecchi mesi (per questa scoperta nel 2019 i due ricevono il Nobel per la Fisica, NdR).

All’Observatoire de Haute-Provence, nel sud della Francia, Mayor e Queloz erano sotto pressione perché lavoravano in diretta concorrenza con il grande Lick Observatory, in California. Si erano concentrati sulla stella 51 Peg, la numero 51 della costellazione di Pegaso. L’avevano scelta perché è abbastanza vicina, a soli 40 anni-luce da noi, e perciò brillante e comoda da osservare; dopo tutto per ogni grande scoperta ci vuole un po’ di fortuna…

Mayor e Queloz misuravano spesso lo spettro della luce della stella, sapendo che esso sarebbe cambiato in modo regolare qualora la stella avesse un moto periodico, ripetitivo.

Quando intorno a una stella orbita un pianeta, infatti, entrambi si muovono – in base alle leggi di Newton – girando intorno al centro di massa del sistema. Se il pianeta è sufficientemente massiccio, l’effetto è significativo e si può notare che la stella periodicamente si avvicina e si allontana (vedi figura).

Dallo spettro della stella osservata si può dedurre la sua velocità radiale, ossia la velocità diretta lungo la nostra linea di vista: infatti per effetto Doppler – analogo a quello che fa cambiare la frequenza del fischio di un treno che si avvicina e poi si allontana – le righe spettrali della luce della stella sono spostate verso il rosso, quando la stella si sta allontanando dalla Terra, oppure verso il blu, quando la stella si sta avvicinando.

Cocciutamente, i due svizzeri misurarono più e più volte lo spettro di 51 Peg, applicando questo metodo delle velocità radiali. Erano convinti che ci sarebbero voluti anni per trovare qualcosa di interessante. Ma sul loro strumento avevano anche messo una scatolina con dispositivi elettronici che controllavano in ogni momento la stabilità di tutto il sistema di misura. E la scatolina indicava un’inquietante variabilità dei dati di giorno in giorno: era il contrario della stabilità a lungo termine che gli astronomi si aspettavano. Pensando a un malfunzionamento, controllarono e ricontrollarono tutto più volte.

Quando un pianeta e la sua stella orbitano intorno al loro centro di massa, le righe spettrali della luce stellare si spostano per effetto Doppler verso l’estremità rossa o verso quella violetta dello spettro. Dallo spostamento si può dedurre la velocità radiale della stella. I dati sperimentali del grafico sono quelli pubblicati nell’articolo di Mayor e Queloz che annunciava la prima scoperta di un pianeta extrasolare (Nature, 1995, vol. 378, pp 355-359).

Ma pian piano Mayor e Queloz si convinsero di qualcosa che sembrava incredibile: proprio grazie alla scatolina che i rivali statunitensi non avevano, scoprirono per primi un «Giove» che impiega soltanto 4 giorni per girare intorno al proprio sole! Andarono a Firenze, dove si svolgeva un congresso internazionale di astronomia, e qui presentarono i loro risultati, che sono riprodotti nella figura. Così nel 1995 si è verificata una svolta per l’astronomia
e anche, almeno un poco, per l’umanità.

Poiché l’influenza dei pianeti sul moto della loro stella è tanto maggiore quanto più essi sono massicci, non sorprende che il pianeta in orbita intorno a 51 Peg sia un gigante di massa paragonabile a Giove. Sorprende invece il suo brevissimo periodo orbitale che, come ci ha insegnato Keplero, indica una notevole vicinanza alla stella: il pianeta di 51 Peg, che prende il nome di 51 Peg b9 è un gigante gassoso molto più vicino alla sua stella di quanto il nostro minuscolo Mercurio sia vicino al Sole. Dunque è un «Giove caldo», anzi caldissimo, con punte di 2000 °C, molto diverso dal nostro Giove gelido a –200 °C. Ma come fa a esistere? Perché non evapora?

Ecco che il primo pianeta scoperto intorno a un’altra stella ci fa subito capire che dovremo rivedere le nostre idee generali sui pianeti. Finora erano basate soltanto sul nostro Sistema solare, e viene il sospetto che forse anche di questo non abbiamo capito granché…

Oggi, dopo un quarto di secolo, abbiamo tagliato il traguardo di 4000 pianeti extrasolari già identificati. Le tecniche di misura sono state raffinate, riducendo sempre più il limite alla massa dei pianeti rilevabili: grazie alla spettroscopia ad alta risoluzione, il metodo delle velocità radiali ora consente di identificare pianeti di massa inferiore a Nettuno, giù fino a masse dell’ordine di quella della Terra. Questi pianeti devono però essere vicini alla loro stella: infatti per essere sicuri che le perturbazioni siano reali occorre sempre osservare numerosi cicli; ma i pianeti distanti hanno periodo di rivoluzione più lungo, dunque per osservarne gli effetti possono
essere necessari anni e anni di osservazioni.

Questo testo è un estratto di I marziani siamo noi (Zanichelli, second ed., ottobre 2019).

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