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Cacciatori di esopianeti

Che cos'è un pianeta extrasolare, e come fanno gli scienziati a scovarli? Lo abbiamo chiesto al fisico Davide Cenadelli, specializzato in questo tipo di ricerca.
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La possibilità che dalle "parti" della fascia di Kuiper esista un nono pianeta sta facendo discutere gli astronomi. Ma tra gli studiosi c’è addirittura chi guarda ben oltre i confini del nostro Sistema solare. Sono i cacciatori di esopianeti. Da diversi anni ormai, in molti casi con grande enfasi, ci viene annunciato, per esempio, che il «satellite Kepler ha scoperto un nuovo mondo». Ma che cosa significa esattamente? E come si fa a scoprire un esopianeta? Lo abbiamo chiesto a un "cacciatore" di esopianeti, il fisico Davide Cenadelli dell’Osservatorio Astronomico della Regione Autonoma Valle d’Aosta.  

Che cos’è un esopianeta?

Per rispondere a questa domanda è utile ricordare, prima di tutto, che cos’è un pianeta. Secondo gli astronomi, perché un corpo sia definito tale devono essere soddisfatti diversi requisiti. Innanzitutto un pianeta è un corpo celeste che orbita intorno a una stella, ma che non è una stella a sua volta: ha una massa nettamente minore e non produce energia grazie alle reazioni di fusione nucleare, come invece avviene per una stella. In pratica, non brilla di luce propria. Poi, la massa del pianeta, sebbene piccola rispetto a quella di una stella, deve essere sufficiente a dargli una forma sferica o sferoidale e a permettergli di dominare gravitazionalmente la sua regione. In pratica, il pianeta non condivide la propria zona orbitale con altri oggetti di taglia comparabile, mentre può avere satelliti, che sono nettamente meno massicci. Quest’ultima condizione, definita nel 2006 dall’Unione Astronomica Internazionale, è una delle principali ragioni per cui Plutone non viene più considerato un pianeta, ma un pianeta nano. Un esopianeta quindi non è altro che un pianeta che orbita intorno a una stella che non sia il Sole, ovvero che appartiene a un Sistema planetario diverso dal Sistema solare.
Per saperne di più sul pianeta nano Plutone, puoi leggere su Aula di Scienze questo articolo sulla missione New Horizons.

Come si va a caccia di un esopianeta?

Con i pianeti del nostro Sistema solare è possibile effettuare osservazioni dirette, ma gli esopianeti sono generalmente troppo lontani per essere scoperti e studiati in questo modo. A parte pochissimi casi in cui si è riusciti a ottenere, con difficoltà, un’immagine diretta di un esopianeta, nella grande maggioranza dei casi bisogna osservare le stelle alla ricerca di indizi che rivelino la sua presenza.
Il pianeta β Pictoris b, in orbita intorno alla stella β Pictoris, è uno dei pochissimi esopianeti di cui è stato possibile ottenere immagini dirette. In questa immagine composita, realizzata grazie al Very Large Telescope dello European Southern Observatory (ESO) sono evidenziate le diverse posizioni del pianeta rispetto alla stella nel 2003 e nel 2009. Immagine: ESO/A.-M. Lagrange
Uno dei metodi di rilevazione principali è quello delle velocità radiali, che si basa sull’effetto Doppler: quando una sorgente luminosa si avvicina o si allontana rispetto a chi la osserva, la lunghezza d’onda osservata cambia. Se intorno a una stella orbita un pianeta, la sua gravità fa sì che questa stella “oscilli” con una certa periodicità intorno al centro di massa del sistema: il cambio di lunghezza d’onda determinato dall'effetto Doppler può essere misurato con gli spettrografi e indica così, in modo indiretto, la presenza di un pianeta.

La presenza di un pianeta fa "oscillare" la stella e, quindi, variare lo spettro che osserviamo (fonte: eso.org).

È grazie a questo principio che nel 1995 è stato scoperto 51 Pegasi b, il primo esopianeta orbitante intorno a una stella "normale" che siamo riusciti a scovare (pochi anni prima erano stati scoperti pianeti orbitanti intorno a una pulsar). La limitazione di questo metodo è che “vede meglio” pianeti piuttosto massicci e con un’orbita vicina alla stella, ovvero pianeti nelle condizioni di esercitare sulla propria stella una forza gravità non trascurabile. Inoltre, essendo un effetto di tipo gravitazionale, questo metodo ci permette di risalire alla massa del pianeta orbitante. In realtà, l’effetto Doppler misura solo l’avvicinamento o l'allontanamento della stella, ovvero la componente radiale (cioè lungo la linea di vista) della velocità stellare, e non la componente a essa perpendicolare. Così, in molti casi, la reale velocità di oscillazione della stella è maggiore di quella misurata, e la stessa cosa vale per la massa del pianeta orbitante. In definitiva, col metodo delle velocità radiali si misura un valore minimo per la massa planetaria, che in realtà potrebbe essere più grande. Un altro metodo usato dai cacciatori di pianeti è quello dei transiti ed è quello utilizzato anche all’Osservatorio Astronomico della Regione Valle d'Aosta. In questo caso la presenza del pianeta è “tradita” dal cambiamento di luminosità della stella, misurabile con fotometri come quello a bordo del satellite Kepler, che coincide col transito del pianeta. Questo metodo consente di trovare anche pianeti più piccoli della Terra, ma possiede comunque un grosso limite. Quando osserviamo un altro Sistema planetario è probabile che il piano dell’orbita dei pianeti sia orientato in modo che, dal nostro punto di vista, non passino davanti alla stella. In questa condizione la luminosità che osserviamo non cambia, e quindi non siamo in grado di sapere se c’è o no un pianeta.

Il transito del pianeta davanti alla stella determina una diminuzione della luminosità rilevata dai fotometri (fonte: eso.org)

La misura delle velocità radiali e i transiti sono i principali strumenti che abbiamo per scoprire un nuovo pianeta, ma le informazioni che ci danno sono diverse e per questo spesso si cerca di osservare il pianeta candidato con entrambi i metodi. Con le velocità radiali possiamo dedurre il periodo del pianeta e la sua massa (o meglio, come sottolineato sopra, una stima minima per la massa); con i transiti è possibile ricavare di nuovo il periodo, ma anche il raggio. Combinando i due metodi abbiamo sia la massa che il raggio e possiamo calcolare anche la densità media. La densità è un parametro importantissimo, perché può dirci, per esempio, se il pianeta è un gigante gassoso (come Giove) o un piccolo pianeta roccioso (come la Terra), o magari un pianeta dissimile da entrambi. Grazie all’evoluzione tecnologica, oggi i nostri spettrografi possono anche dirci se un certo esopianeta possiede un’atmosfera e qual è la sua composizione. Per arrivare a tanto, abbiamo bisogno di un pianeta che transiti davanti alla sua stella. Durante il transito, l’atmosfera del pianeta assorbirà la luce della stella retrostante: l’effetto può essere osservato nello spettro stellare, dove compariranno delle tenui bande scure dalla lunghezza d’onda delle quali è possibile risalire ai gas dell’atmosfera planetaria che stanno operando questo assorbimento. Si tratta di un effetto piccolissimo, dato che lo spessore dell’atmosfera planetaria è minima rispetto alla dimensione della stella; oggi, però, si comincia a vedere bene e in futuro ci si aspettano grandi risultati da questo tipo di analisi.
Per ripercorrere la storia dei cacciatori dei pianeti puoi guardare questo breve documentario in inglese (con sottotitoli in inglese) prodotto dalla NASA.

Qual è l’identikit di un cacciatore di esopianeti?

Le persone che lavorano alla ricerca dei pianeti extrasolari provengono tipicamente da studi di fisica e astronomia e hanno poi proseguito con un dottorato lavorando presso gruppi specializzati. La comunità internazionale dei cacciatori è generalmente suddivisa in base alle tecniche utilizzate. Quando un gruppo di ricerca pensa di aver scoperto un nuovo pianeta, cerca di pubblicare il risultato su una rivista scientifica a revisione paritaria, in modo che i dati siano messi a disposizione della comunità scientifica mondiale per essere discussi. Nel contempo, può decidere di contattare altri gruppi per avere altre misure. Questa collaborazione spesso è tempestiva e comincia in modo informale, anche perché il numero di ricercatori in questo ambito è abbastanza ridotto.

Scoprire un esopianeta è un lavoro per specialisti, ma chiunque può dare una mano e accelerare la ricerca grazie ai progetti di citizen science. Nel 2010 è stato lanciato Planet Huntersche ha messo a disposizione del pubblico alcune delle osservazioni di Kepler scoprendo presto che l’intelligenza collettiva degli esseri umani poteva trovare transiti che i software non erano riusciti a scovare.

Quanti pianeti abbiamo scoperto?

Al momento di questa intervista il database della Extrasolar Planet Encyclopaedia elenca 2056 esopianeti individuati, a cui dobbiamo aggiungere diverse migliaia di candidati. Non bisogna prendere questo numero in termini assoluti, perché esistono esopianeti anche molto dibattuti, come ad esempio Alfa centauri B b, che un giorno potrebbero essere ritrattati. Si può comunque dire con sicurezza che conosciamo circa 2000 pianeti che orbitano intorno a una stella diversa dalla nostra. Da questo numero è ancora difficile estrapolare una stima precisa di quanti esopianeti esistano nella nostra galassia, ma in ogni caso si tratta di una quantità enorme, probabilmente compresa tra i 100 e 1000 miliardi. Che gli esopianeti siano moltissimi ce lo dice anche l’andamento storico della loro ricerca: il primo esopianeta è stato individuato non appena sono state disponibili tecniche sufficientemente precise, e il ritmo della scoperta aumenta man mano che progrediscono i nostri strumenti. In altre parole, si tratta di oggetti talmente numerosi nella Galassia che, con le apparecchiature giuste, sono relativamente semplici da scoprire.
Insieme a Kepler e i suoi fotometri, gli strumenti scientifici più avanzati per la caccia agli esopianeti sono gli spettrografi Harps e Harps-N. Il primo si trova nell’Osservatorio La Silla, in Cile; il secondo invece lavora al Telescopio Nazionale Galileo presso l’Osservatorio Roque de los Muchachos, alle Canarie. Harps-N è utilizzato anche dai ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica e in questo power point sono illustrate le sue principali scoperte.

Perché è così importante cercarli?

La ricerca e lo studio dei pianeti extrasolari sta accrescendo la nostra conoscenza in vari modi. Il solo fatto che esistano ha cambiato ancora una volta la concezione che l’uomo ha dell’Universo e del suo posto all’interno di esso; non a caso, infatti, molti ritengono che i ricercatori che identificarono i primi esopianeti meritino il Premio Nobel. Tra gli astronomi la scoperta di esopianeti ha ravvivato lo studio della formazione dei sistemi planetari e ha sempre più senso chiedersi se esiste o meno un pianeta simile alla Terra. Di tutti i pianeti scoperti solo una percentuale piccola (ma non trascurabile) si trova nella cosiddetta zona abitabile, cioè a una distanza dalla stella sufficiente a mantenere potenzialmente acqua liquida sulla superficie. Questo non implica che l’acqua sia sicuramente presente, ma che, se dovesse esserci, potrebbe formare laghi e mari. Se un pianeta fosse roccioso, di grandezza simile alla Terra, nella zona abitabile e possedesse anche un’atmosfera con del vapor d’acqua, allora avremmo trovato una potenziale “Terra gemella”. Anche se tutte le condizioni specificate valessero per una percentuale piccola degli esopianeti esistenti, il loro numero è così grande che verosimilmente esisterebbero parecchi pianeti di questo tipo. E, chissà, su qualcuno di essi potrebbe essersi anche sviluppata la vita. Questo ci porta a un altro tema molto legato agli esopianeti, cioè l’astrobiologia. Al momento non sappiamo se la vita esista fuori dal nostro Sistema solare, né possiamo immaginare quale sia il suo aspetto. Quello che possiamo fare è però cercare coi nostri strumenti dei biomarcatori, cioè degli indizi della presenza di forme di vita, nelle atmosfere esoplanetarie. Si cercano, per esempio, i composti che sulla Terra sono legati, anche se non necessariamente, alla presenza di organismi viventi, come acqua, metano e ossigeno; ma sarebbe teoricamente possibile anche rilevare lo spettro di molecole complesse come la clorofilla. Il problema è che la ricerca dei biomarcatori si basa sulla biologia terrestre, mentre non sappiamo quali strade potrebbe aver preso l’evoluzione su un altro pianeta: in questo tipo di ricerche è quindi essenziale mantenere la mente il più possibile aperta. Infine la presenza di tanti altri mondi ci permette di riflettere sul futuro della nostra specie: saremo sempre legati alla Terra, o riusciremo a espanderci nella galassia? I viaggi interstellari attualmente esistono solo nei libri di fantascienza; ma se l’uomo tra uno o due miliardi di anni esisterà ancora, andarsene dal Sistema solare sarà una necessità a causa dell’evoluzione stellare del nostro Sole, che renderà la Terra troppo calda per sostenere la vita come oggi la conosciamo. Quello che possiamo fare noi è continuare a cercare, e nei prossimi anni due grandi progetti ci aiuteranno a farlo. Il James Webb Space Telescope, che potrebbe essere lanciato già nel 2018, sarà il successore del famoso Hubble. Sulla sommità del monte Cerro Armazones, in Cile, si sta invece costruendo lo European Extremely Large Telescope, dotato di uno specchio di quasi 40 metri di diametro. Entrambi gli strumenti saranno in grado di catturare immagini dirette dei mondi che abbiamo scoperto e di quelli che scopriremo, e ci permetteranno così di sapere molto di più sulla loro struttura e sulla loro eventuale atmosfera.
Per saperne di più su come sarà costruito il più grande telescopio ottico al mondo puoi guardare questo breve video di cui sono disponibili i sottotitoli in inglese.
transit
screenshot-www.planethunters.org 2016-02-02 11-19-27
planet hunters
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Planet around Beta Pictoris (annotated)
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