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.

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Kepler-444, il più antico sistema planetario della Via Lattea

Una stella di tipo solare con 5 pianeti di tipo terrestre orbitanti che risale all’alba dei tempi, quando cioè si formò la nostra galassia. È quanto hanno scoperto un gruppo di astronomi della University of Birmingham grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il satellite della NASA Kepler e i cui risultati sono apparsi su Astrophysical Journal.

WASP-94, due gioviani in una coppia di stelle

Una gruppo internazionale di astronomi guidati dai colleghi della Keele University hanno scoperto due esopianeti delle dimensioni di Giove che si trovano ciascuno in orbita attorno alle rispettive stelle che fanno parte di un sistema stellare binario. La maggior parte dei pianeti extrasolari noti orbitano attorno a stelle singole, come il Sole. Tuttavia, molte stelle fanno parte di sistemi binari, cioè stelle doppie che si sono originate dalla stessa nube di gas interstellare. Oggi, per la prima volta, i ricercatori hanno identificato due ‘gioviani caldi’ in una coppia di stelle.

La ricerca di esopianeti con la relatività speciale

La ricerca di nuovi mondi rappresenta una sfida significativa perché stiamo parlando di oggetti molto piccoli, deboli, e vicini alle loro stelle. Le due tecniche più promettenti utilizzano il metodo della velocità radiale, che si basa sull’oscillazione delle stelle,  ed il metodo del transito, quando i pianeti passano davanti alla stella ospite determinando una diminuzione della luminosità. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Tel Aviv e dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) hanno scoperto di recente un pianeta extrasolare grazie ad un nuovo metodo che si basa sulla teoria della relatività speciale di Einstein. “Siamo alla ricerca di effetti molto piccoli. Avevamo bisogno di misure estremamente precise della luminosità stellare al livello di poche parti per milione“, spiega David Latham del CfA. “Ciò è stato possibile grazie alla qualità dei dati di Kepler“, aggiunge l’autore Simchon Faigler dell’Università di Tel Aviv. Sebbene Kepler sia stato progettato per trovare pianeti con il metodo del transito, Kepler-76b è stato scoperto utilizzando una tecnica proposta per la prima volta nel 2003 da Avi Loeb del CfA e dal suo collega Scott Gaudi dell’Ohio State University. Il nuovo metodo si basa su tre effetti molto deboli da misurare che si verificano contemporaneamente quando un pianeta orbita attorno alla stella. L’effetto di “beaming” relativistico causa un aumento di luminosità quando la stella si muove verso l’osservatore, soggetta alla gravità del pianeta, e viceversa quando si allontana. “Si tratta della prima volta che questo aspetto della teoria della relatività di Einstein viene utilizzato per rivelare un pianeta“, spiega Tsevi Mazeh dell’Università di Tel Aviv. Inoltre, i ricercatori hanno analizzato la forma allungata che la stella assume a causa delle forze di marea dovute al pianeta in questione. In altre parole, la stella appare più luminosa quando la osserviamo di lato, a causa della maggiore superficie visibile, e più debole quando il pianeta la attraversa. Il terzo effetto è dovuto alla luce stellare riflessa dal pianeta stesso.

Una volta identificato, il pianeta è stato poi confermato da Latham mediante una serie di misure della velocità radiale grazie allo spettrografo TRES presso il Whipple Observatory in Arizona, e da Lev Tal-Or utilizzando lo spettrografo SOPHIE presso l’Osservatorio Haute-Provence in Francia. Kepler ha anche mostrato che il pianeta transita davanti alla sua stella, il che fornisce una ulteriore conferma della sua scoperta. Il cosiddetto “pianeta di Einstein” è un Giove caldo che orbita intorno alla sua stella ogni 1,5 giorni. La sua dimensione è circa il 25% più grande rispetto a Giove e pesa il doppio. Esso orbita intorno a una stella di classe spettrale F che si trova a circa 2.000 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Cigno. Inoltre, il pianeta ha un moto di rivoluzione sincrono, cioè mostra sempre lo stesso lato alla stella, proprio come nel caso della Luna con la Terra, e la sua temperatura superficiale raggiunge circa 2.000 gradi Celsius. È interessante notare che gli astronomi hanno trovato una forte evidenza relativa alla presenza di getti di calore che si diffonde tutt’intorno sulla superficie. Di conseguenza, il punto più caldo di Kepler-76b non corrisponde al punto substellare, ma si trova a circa 15 mila chilometri. Questo effetto è stato osservato solo una volta, nel caso di HD 189733b, e solo in luce infrarossa con il telescopio spaziale Spitzer. Nonostante questo metodo non sia adeguato per la ricerca di nuove terre, esso comunque offre agli astronomi un’occasione unica perchè da un lato non richiede spettri di alta precisione e dall’altro non richiede un allineamento perfetto del pianeta con la stella ospite.

CfA: New Method of Finding Planets Scores its First Discovery

TAU: TAU team takes part in discovering new planet

arXiv: BEER analysis of Kepler and CoRoT light curves: I. Discovery of Kepler-76b: A hot Jupiter with evidence for superrotation

Dalle stelle ‘morenti’ probabili indizi sulla vita extraterrestre

È quanto emerge da uno studio recente in base al quale anche le stelle che si trovano nella fase finale della loro evoluzione potrebbero ancora ospitare dei pianeti sui quali la vita, se esiste, dovrebbe essere rivelata con le future osservazioni spaziali entro i prossimi dieci anni. Queste considerazioni incoraggianti derivano da una serie di studi sui pianeti di tipo terrestre che orbitano attorno alle nane bianche. I ricercatori hanno concluso che si potrebbe rivelare l’ossigeno presente nelle atmosfere planetarie molto più facilmente rispetto al caso dei pianeti che orbitano, invece, attorno alle stelle di tipo solare.

“Nella ricerca di segnali biologici di tipo extraterrestre, le prime stelle che dovremmo studiare sono le nane bianche”, spiega Avi Loeb del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e direttore dell’Institute for Theory and Computation. Quando una stella come il Sole termina il suo ciclo vitale, spazza nel mezzo interstellare i suoi strati più esterni lasciandosi dietro un nucleo denso, caldo e collassato che viene chiamato nana bianca. Queste stelle morenti hanno le dimensioni della Terra. La stella si raffredda lentamente e si indebolisce nel corso tempo anche se può trattenere ancora a lungo del calore residuo per riscaldare, per così dire, un pianeta vicino anche per miliardi di anni. Dato che una nana bianca è molto più piccola e più debole del Sole, un pianeta dovrebbe trovarsi molto vicino alla stella affinchè l’acqua si trovi sulla superficie allo stato liquido e perciò il pianeta sia abitabile. Inoltre, questo pianeta dovrebbe orbitare attorno alla stella una volta ogni 10 ore e trovarsi ad una distanza di circa 1,5 milioni di chilometri. Prima che la stella diventi una nana bianca, essa passa attraverso la fase di gigante rossa inglobando e distruggendo qualsiasi pianeta che si trovi vicino al suo raggio d’azione. Di conseguenza, un pianeta potrebbe arrivare nella zona abitabile (post) dopo che la stella sia evoluta nella fase di nana bianca. Questo pianeta potrebbe comunque formarsi nuovamente dall’accrescimento di polveri e gas, cioè sarebbe un pianeta di ‘seconda generazione’, oppure potrebbe migrare verso l’interno dalle regioni più distanti. Insomma, se esistono pianeti nella zona abitabile delle nane bianche dovremmo prima o poi trovarli. L’abbondanza di elementi pesanti sulla superficie delle nane bianche implica che una frazione significativa di queste stelle collassate possiede pianeti rocciosi. Loeb e il suo collega Dan Maoz dell’Università di Tel Aviv stimano che una survey delle 500 nane bianche più vicine potrebbe darci alcuni indizi sulla presenza di una o più terre abitabili. Il miglior metodo per rivelare questi pianeti consiste nella ricerca del transito quando la luce di una stella si indebolisce nel momento in cui un pianeta passa davanti al disco stellare. Dato che una nana bianca ha circa le dimensioni della Terra, un pianeta di tipo terrestre dovrebbe bloccare una maggiore frazione di luce e produrre così un segnale caratteristico della sua presenza. Ancora più importante è il fatto che gli astronomi sono in grado di studiare le atmosfere dei pianeti che transitano davanti al disco della propria stella. Quando la luce della nana bianca brilla attraverso l’anello di luce che circonda il disco planetario, l’atmosfera assorbe parte della radiazione. Durante questo momento della fase del transito si producono delle ‘impronte chimiche’ da cui è possibile capire se l’atmosfera contiene vapore acqueo o addirittura ‘segni di vita’ dati dalla presenza di ossigeno. Sulla Terra, l’atmosfera viene continuamente rifornita di ossigeno attraverso la fotosintesi dovuta alle piante. Se un giorno tutte le forme di vita cessassero di esistere sulla Terra, la nostra atmosfera diventerebbe rapidamente priva di ossigeno che si dissolverebbe negli oceani e ossiderebbe la superficie terrestre. Il telescopio spaziale James Webb (JWST), che sarà lanciato in orbita entro la fine di questo decennio, promette di essere un buon strumento per rivelare la presenza di gas nelle atmosfere di questi mondi alieni. Loeb e Maoz hanno simulato uno spettro sintetico sulla base di ciò che JWST potrebbe vedere analizzando l’atmosfera di un pianeta extrasolare che orbita attorno ad una nana bianca. I dati suggeriscono che sia l’ossigeno che il vapore acqueo potrebbero essere rivelati con sole poche ore di osservazione. Ma un altro studio recente mostra che il pianeta abitabile più vicino è molto probabile che si trovi ad orbitare attorno ad una nana rossa. Infatti, secondo Courtney Dressing e David Charbonneau del Dipartimento di Astronomia di Harvard dato che la nana rossa, nonostante sia più piccola e più debole del Sole, è molto più brillante e più grande di una nana bianca, il suo alone di luce potrebbe sovrastare il debole segnale dell’atmosfera di un pianeta che orbita attorno alla stella. Il telescopio spaziale JWST sarebbe perciò costretto ad osservare centinaia di ore di transito e sperare di catturare la composizione chimica dell’atmosfera planetaria. Comunque sia, Loeb rimane convinto che il pianeta più vicino e per il quale possiamo essere in grado di verificare l’esistenza di vita si troverà attorno ad una nana bianca.

Harvard University: Future Evidence for Extraterrestrial Life Might Come from Dying Stars

arXiv: Detecting bio-markers in habitable-zone earths transiting white dwarfs

Esopianeti con moto orbitale retrogrado

Durante il RAS National Astronomy Meeting (NAM2010), è stata annunciata la scoperta di nove nuovi esopianeti che sono stati identificati con il metodo del transito. Quando queste osservazioni sono state confrontate con le precedenti, gli astronomi sono rimasti sorpresi di trovarne 6, su un campione formato da 27 pianeti, che orbitassero nella direzione opposta a quella della loro stella ospite, esattamente il contrario di ciò che accade nel Sistema Solare. La scoperta fornisce una informazione molto importante sulla teoria della formazione dei pianeti e suggerisce che nei sistemi stellari dove si formano pianeti di massa gioviana è molto improbabile trovare pianeti di massa terrestre.

I nuovi esopianeti scoperti da WASP insieme ai telescopi dell’ESO che inaspettatamente hanno moto retrogrado. In tutti i casi, la stella è mostrata in scala con il suo asse di rotazione che punta verso l’alto e i colori sono verosimili. Gli esopianeti si osservano nel momento del transito. L’ultimo oggetto, in basso a destra, viene rappresentato per confronto e la sua direzione del moto orbitale è, per così dire, “normale”.
Credit: ESO/A. C. Cameron

“Questa scoperta rappresenta una vera bomba nel campo degli esopianeti” afferma Amaury Triaud del Geneva Observatory che, assieme a Andrew Cameron e a Didier Queloz, ha condotto la ricerca. Si ritiene, infatti, che i pianeti si formino nel disco di gas e polvere che ruota attorno alla giovane stella. Il disco protoplanetario ruota, di solito, nella stessa direzione in cui avviene il moto di rotazione della stella e, fino ad ora, ci si aspettava che anche i pianeti orbitassero nella stessa direzione in un piano contenente quasi tutte le orbite, come nel caso appunto del Sistema Solare. Ma sorprendentemente, quando i ricercatori hanno combinato i nuovi dati con le vecchie osservazioni essi hanno trovato che più della metà dei pianeti di grossa taglia hanno le orbite disallineate rispetto all’asse di rotazione delle rispettive stelle ospiti. Essi hanno addirittura trovato che sei esopianeti, di cui due sono di nuova identificazione, hanno moto retrogrado, cioè orbitano attorno alla stella nella direzione “sbagliata”. Per tener conto del moto retrogrado una teoria alternativa suggerisce che la presenza di pianeti gioviani in prossimità delle rispettive stelle non è dovuta alle interazioni con il disco di polvere bensì ad un lento processo di evoluzione che coinvolge una sorta di “braccio di ferro gravitazionale” con i pianeti, o anche con le stelle, più distanti nel corso di centinaia di milioni di anni di evoluzione. Una volta che queste interazioni hanno deviato un esopianeta gigante in una orbita più allungata e inclinata, esso comincia ad essere soggetto a effetti mareali, perde energia cinetica ogni volta che passa vicino alla stella. Alla fine del processo di interazione ci si aspetta di trovare il pianeta in una sorta di “orbita di parcheggio”, quasi circolare, anche se inclinata casualmente, vicino alla stella. “Uno, però, degli effetti più drammatici causati da questo esopianeta potrebbe essere quello di distruggere un pianeta di massa terrestre” conclude Queloz.

Kepler-11, un sistema solare in ‘miniatura’

Grazie alle osservazioni condotte con il satellite Kepler della NASA, i ricercatori della University of California, a Santa Cruz hanno scoperto un nuovo sistema planetario, denominato Kepler-11, utilizzando il metodo del transito.  I ricercatori sono stati in grado di derivare i parametri orbitali, le dimensioni e le masse dei pianeti, stimando anche la loro composizione chimica.

I cinque pianeti più interni hanno masse tra 2,3 e 13,5 volte la massa della Terra e i periodi orbitali sono inferiori a 50 giorni così che essi si trovano ad orbitare all’interno di una regione di spazio che potrebbe contenere l’orbita di Mercurio. Il sesto pianeta, invece, è quello più grande e più distante dalla stella con un periodo orbitale di 118 giorni e con una massa che non è stata ancora completamente determinata.

[Nature press release: Six small planets orbiting a Sun-like star amaze astronomers]