Kepler-452b, una scoperta nata per caso

È passato esattamente un mese da quando la NASA ha annunciato la scoperta di un pianeta “gemello della Terra”, notizia che ha avuto come di consueto la sua eco mediatica che ha fatto il giro del web e dei media tradizionali. Analizziamo più da vicino come si è arrivati ad una tale scoperta i cui risultati sono riportati su Astronomical Journal.

Lo studio degli esopianeti inizia proprio 20 anni fa con la scoperta di 51 Peg b, un gioviano caldo situato in un’orbita che viene compiuta in poco più di 4 giorni attorno alla sua stella ospite. Questa scoperta venne seguita da una serie numerosa di gioviani caldi, caratterizzati da diversi valori del periodo orbitale, che vennero identificati grazie alle misure della velocità radiale (o metodo Doppler).

Il satellite Kepler misura la luminosità delle stelle. Quando un pianeta passa di fronte al disco stellare visto dal satellite, viene prodotto un piccolo impulso. Dalla serie di impulsi registrati è possibile verificare l’esistenza di pianeti di tipo terrestre e ricavare le informazioni relative alla loro dimensione e periodo orbitale. Credits: NASA Ames and Dana Berry

 Sin dal 1994, le osservazioni basate sul metodo del transito erano già in corso e ottennero la loro attenzione una volta che venne definita la popolazione dei gioviani caldi. Ma queste survey del cielo non furono così fruttuose fino al 2000 quando venne osservato con il metodo del transito HD 209458b, un esopianeta che era stato già identificato con il metodo Doppler. Da allora, la ricerca ha fatto passi da gigante e sono stati identificati altri corpi celesti dotati di periodi orbitali più lunghi e dimensioni più piccole dei gioviani. Oggi, sono stati trovati circa 1500 esopianeti grazie a varie tecniche di osservazione che includono le survey Doppler, il transito osservato da terra e dallo spazio, il microlensing gravitazionale (iniziato nel 1996 con OGLE-2003-BLG-235/MOA-2003-BLG-53) e più recentemente il metodo del direct imaging (a partire dal 2001 con HR 8799).

Numero di pianeti extrasolari, scoperti per anno a partire dal 1988 fino a Settembre 2014, sulla base dei metodi di identificazione: velocità radiale (blu scuro), transito (verde scuro), timing (giallo scuro), direct imaging (rosso scuro), microlensing (arancione scuro). Credit: Open Exoplanet Catalogue

Ma, forse, il risultato più esaltante, e quello che ci riguarda più da vicino, rimane senz’altro la scoperta di un numero consistente di pianeti analoghi al sistema Terra-Sole. Il concetto di zona (o fascia) abitabile è in continua evoluzione: esso rappresenta l’intervallo di distanze dalla stella ospite dove l’acqua può ancora rimane allo stato liquido sulla superficie di un pianeta roccioso. Per essere un po’ più precisi, gli astronomi parlano di “zona abitabile ottimistica” che nel caso di una stella come il Sole è rappresentata da quella fascia interplanetaria ideale delimitata nella parte più interna dall’orbita di Venere e nella parte più esterna dall’orbita di Marte. In altre parole, la zona abitabile ottimistica si trova all’interno di un intervallo che va dal 20% a circa il 180% della radiazione solare a cui è soggetta la Terra, anche se in generale i valori esatti dipendono in qualche modo dalla temperatura effettiva del stella ospite.

Oggi, Kepler-452b riceve una quantità di radiazione stellare pari al 10% in più rispetto a quella della Terra nel caso del Sole. Se il pianeta avesse la stessa massa della Terra sarebbe soggetto ad un effetto serra incontrollato con la conseguente perdita di acqua. Tuttavia, dato che esso è 60% più grande della Terra, è probabile che la sua massa sia 5 volte superiore, il che fornisce una ulteriore protezione dall’effetto serra per almeno altri 500 milioni di anni. Credits: NASA Ames/J. Jenkins [video]

Finora, nel corso degli ultimi 4 anni di missione sono stati identificati dal satellite Kepler solo 9 pianeti di piccola taglia con un raggio inferiore al diametro terrestre nella zona abitabile o in prossimità di essa: stiamo parlando di Kepler-62e, Kepler-62f, Kepler-186f, Kepler-283c, Kepler-296e, Kepler-296f, Kepler-438b, Kepler-440b e Kepler-442b. Dalla nuova missione di Kepler, denominata K2, si è aggiunto K2-3d un piccolo pianeta che si trova nella parte interna della fascia abitale.

Dal 2009, quando è stato lanciato in orbita il satellite Kepler, sono stati identificati nella zona abitabile 12 pianeti la cui dimensione è meno di 2 volte la Terra. Questi pianeti sono rappresentati nel grafico in funzione della temperatura della stella ospite e rispetto alla quantità di energia che essi ricevono in unità terrestri. Sullo sfondo, in verde chiaro e scuro, sono mostrare rispettivamente le zone abitabili conservativa e ottimistica. La dimensione dei cerchi blu indica la dimensione relativa degli esopianeti (per confronto sono riportati Venere, Terra e Marte). Da notare che tutti gli esopianeti individuati fino ad oggi orbitano attorno a stelle che sono in qualche modo significativamente più piccole e più fredde del Sole. Kepler-452b è il primo pianeta di taglia inferiore a 2 volte la Terra che si trova nella zona abitabile di una stella di classe spettrale G2. Credits: NASA Ames/N. Batalha e W. Stenzel

La maggior parte di questi pianeti di piccola taglia vanno al di là dei metodi di identificazione Doppler e non possono essere confermati indipendentemente dalle velocità radiali, perciò essi devono essere validati per via statistica. Le survey Doppler hanno avuto successo solo per una manciata di stelle vicine molto brillanti e fredde, dove la zona abitabile è più vicina alla stella. Questi corpi celesti, probabilmente rocciosi, includono GJ 163c, GJ 667 Cc, HD 40307g, Kapteyn b e GJ 832c.

Ad ogni modo, lo scopo principale della missione Kepler è quello di determinare la frequenza e la distribuzione di pianeti terrestri nella zona abitabile nel caso di stelle come il Sole.

Il grafico mostra dodici esopianeti che hanno una dimensione (rappresentata dalla dimensione delle singole sfere) pari a meno di due volte la dimensione della Terra e che risiedono nella zona abitabile della rispettiva stella ospite. Gli oggetti sono disposti per dimensione, partendo da sinistra verso destra, e per tipo di stella ospite, cioè dalle stelle di classe spettrale M, che sono decisamente più fredde e più piccole del Sole, alle stelle di classe spettrale K, che sono ancora più fredde e più piccole del Sole ma più grandi delle stelle di tipo M, alle stelle di classe spettrale G che includono la nostra stella il Sole. Le dimensioni dei pianeti sono state ingrandite di 25 volte. Credits: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

La scoperta di Kepler-452b, annunciata dalla NASA lo scorso 23 Luglio, è stata fatta a Maggio del 2014 durante un test (codice 9.2) del team Kepler Science Operations Center (SOC) quando Joseph D. Twicken della NASA, e dell’Istituto SETI, stava ispezionando alcuni dati per determinare l’attendibilità dell’identificazione dei pianeti più piccoli. L’oggetto, che si trova a 1400 anni-luce nella costellazione del Cigno, è poco più grande della Terra, con un raggio pari a 1,63 raggi terrestri, e orbita attorno ad una stella di tipo spettrale G2, simile al Sole, con un periodo di rivoluzione pari a 384,843 giorni (il 5% maggiore di quello terrestre) il più lungo per un esopianeta rivelato col metodo del transito. Inoltre, la probabilità che il pianeta abbia una composizione rocciosa cade nell’intervallo 49%-62%. La stella ha una temperatura effettiva di 5757 K. Situato ad una distanza media di 1,046 unità astronomiche dalla sua stella ospite (il 5% in più rispetto alla distanza della Terra dal Sole), Kepler-452b si trova ben all’interno della fascia di abitabilità ottimistica, dove riceve il 10% di radiazione in più rispetto a quella che riceve oggi la Terra dal Sole, e leggermente al di fuori della “zona abitabile conservativa” (definita da una regione dello spazio in cui si avrebbe un effetto serra incontrollato ad una in cui l’effetto serra risulterebbe massimo).

Terra (a sinistra) e Kepler-452b (a destra) a confronto. L’illustrazione della superficie di Kepler-452b è puramente indicativa in quanto gli astronomi non sanno se il pianeta possiede oceani o continenti come la superficie della Terra. Inoltre, la stella Kepler-452 è 1,5 miliardi di anni più vecchia del Sole e man mano che evolvono, esse diventano più grandi, più calde e più brillanti. Kepler-452 è mostrata più grande e più brillante rispetto al Sole. Credits: NASA/Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

La stella è leggermente più grande (1,11 raggi solari, cioè 10% più grande rispetto al Sole e 20% più brillante) e più vecchia del Sole (circa 6 miliardi di anni). Molto probabilmente, Kepler-452b è rimasto sempre nella zona abitabile e qui dovrebbe rimanere ancora per circa 3 miliardi di anni. Il pianeta è stato rivelato ad un livello di 9,7 σ (deviazione standard), ben al di sopra del limite di 7,1 σ, e ha passato tutta una serie di controlli di consistenza imposti dalla componente Transiting Planet Search (TPS) del SOC. Anche la curva di luce, che mostra un periodo del transito planetario sul disco stellare di 10,5 ore, è stata soggetta ad una serie di verifiche utilizzando il cosiddetto “modulo di validazione dei dati”.

La curva di luce che mostra la fase di 10,5 ore relativa al transito di Kepler-452b davanti al disco stellare, così come osservato dal satellite Kepler. Credit: Jon M. Jenkins et al. 2015

Questa scoperta assieme all’introduzione di altri 11 nuovi corpi celesti candidati di piccole dimensioni e che si trovano nella zona abitabile segnano un’altra pietra miliare nel cammino verso la ricerca di un’altra “Terra”. La conferma di Kepler-452b porta a 1030 il numero degli esopianeti confermati. “In occasione del 20° anniversario della scoperta di un esopianeta che ci ha dato la prova dell’esistenza di altri mondi, il satellite Kepler ha trovato un pianeta in orbita attorno ad una stella che ricorda molto da vicino il sistema Terra-Sole”, ha dichiarato John Grunsfeld amministratore associato del Science Mission Directorate della NASA con sede a Washington. “Questo risultato alquanto eccitante ci porta un passo ancora più vicino verso la scoperta di una Terra 2.0”. Kepler-452b è circa il 60% più grande della Terra e viene classificato dagli esperti come “super-Terra”. Mentre la sua massa e composizione non sono state ancora determinate, studi precedenti suggeriscono che quei corpi celesti delle dimensioni di Kepler-452b hanno buone possibilità di avere una superficie rocciosa. “Possiamo pensare a Kepler-452b come una sorta di ‘cugino più vecchio e più grande’ della Terra che offre una grande opportunità per comprendere l’evoluzione dell’ambiente terrestre”, ha detto Jon Jenkins, che ha guidato il team di ricercatori e l’analisi dei dati di Kepler presso l’Ames Research Center della NASA a Moffett Field, in California. “Fa davvero senso pensare che questo pianeta abbia trascorso 6 miliardi di anni nella zona abitabile della sua stella, un periodo più lungo rispetto a quello della Terra. Ciò rappresenta una opportunità concreta per lo sviluppo della vita, perciò dovrebbero esistere tutte le condizioni e gli ingredienti necessari per l’esistenza di eventuali forme di vita su questo pianeta”.

Illustrazione in scala del sistema stellare Kepler-452 rispetto al sistema di Kepler-186 e al nostro Sistema Solare. Kepler-186 è una sorta di sistema solare in miniatura e potrebbe essere contenuto interamente all’interno dell’orbita di Mercurio. La sua zona abitabile è molto piccola se confrontata con quella di Kepler-452 o con quella del Sole poichè la stella è molto più piccola e più fredda. La dimensione e l’estensione della zona abitabile del sistema Kepler-452 è quasi confrontabile con quella del Sole ma è leggermente più grande poichè la stella è più vecchia, più grande e più luminosa del Sole. La dimensione dell’orbita di Kepler-452b è quasi eguale a quella della Terra (1,05 UA). Il pianeta compie una rivoluzione in 385 giorni. Credits: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

Per confermare poi la scoperta e determinare meglio le proprietà fisiche del sistema stellare Kepler-452, gli scienziati hanno dovuto condurre una serie di osservazioni da terra con l’Osservatorio McDonald dell’University of Texas a Austin, l’Osservatorio Fred Lawrence Whipple a Mount Hopkins in Arizona e con l’Osservatorio W.M. Keck situato a Mauna Kea nelle Hawaii. Queste misure sono state di fondamentale importanza per confermare la natura planetaria di Kepler-452b e per meglio determinare la dimensione e la luminosità della sua stella ospite e, infine, per ricavare la dimensione del pianeta e la sua orbita.

Finora, ci sono 4696 esopianeti candidati noti, così come elencati nel settimo catalogo Kepler Planet Candidate. Diversi candidati identificati di recente hanno delle dimensioni quasi di tipo terrestre e un periodo orbitale lungo, perciò potrebbero essere di tipo roccioso e contenere acqua allo stato liquido in superficie. Credits: NASA Ames/W. Stenzel

Grazie all’analisi dei dati e alle osservazioni che sono state condotte da Maggio 2009 a Maggio 2013, oltre alla conferma di Kepler-452b i ricercatori hanno incrementato il numero di nuovi esopianeti-candidati di 521, il che aumenta la lista di candidati a 4696. Questi pianeti-candidati dovranno essere ulteriormente osservati e analizzati in modo da verificare che si tratta davvero di veri e propri pianeti. Dodici dei nuovi pianeti-candidati hanno un diametro compreso tra 1-2 volte quello della Terra e orbitano nelle rispettive zone abitabili. Di questi, nove orbitano attorno a stelle simili al Sole sia in termini di dimensione che di temperatura. “Siamo stati in grado di automatizzare completamente il nostro processo di identificazione di pianeti-candidati, il che significa che possiamo finalmente analizzare molto velocemente e uniformemente ogni segnale relativo al transito planetario nell’intero database di Kepler”, ha detto Jeff Coughlin, Kepler scientist presso il SETI Institute a Mountain View, in California, che ha guidato l’analisi dei dati relativa ad un nuovo catalogo di oggetti candidati-pianeti. “Ciò fornisce agli astronomi una popolazione statistica di pianeti-candidati che serve per determinare in maniera accurata il numero di pianeti di piccole dimensioni, possibilmente rocciosi come la Terra, e che sono presenti nella nostra galassia”. Questi risultati, che sono presentati nel settimo Kepler Candidate Catalog, sono derivati dai dati pubblici disponibili online presso l’archivio NASA Exoplanet Archive. Gli scienziati stanno ora creando l’ultimo catalogo basato sui dati dell’originaria missione quadriennale di Kepler. L’analisi finale sarà condotta attraverso l’uso di programmi sofisticati che sono estremamente sensibili ai segnali caratteristici associati al transito di pianeti di tipo terrestre.

Insomma, la presenza di numerosi pianeti di piccole dimensioni che esistono vicino o nella zona abitabile di stelle simili al Sole, particolarmente quelle di tipo spettrale G, rende difficile la determinazione della frequenza intrinseca di pianeti terrestri presenti nella nella zona abitabile. Ma Kepler-452b rappresenta un nuovo ingresso importante alla lista di questa categoria speciale di pianeti di piccola taglia proprio perchè si trova nella fascia abitabile di una stella di tipo G2. Gli scienziati sperano, quindi, che questa sia solo la di una lunga serie di sistemi planetari che saranno scoperti in un futuro prossimo.

NASA: NASA’s Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth

arXiv: Discovery and Validation of Kepler-452b: A 1.6-Re Super Earth Exoplanet in the Habitable Zone of a G2 Star