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I pianeti extrasolari

VIII Scuola Estiva di Astronomia Saltara (PU), 16 – 18 luglio 2013

Mauro Dolci INAF – OATe / SAIt

…a pale blue dot…

Da questo distante punto di osservazione, la Terra può non sembrare di

particolare interesse. Ma per noi, è diverso. È qui. È casa. È noi.

Su di esso, ogni essere umano che sia mai esistito ha vissuto la propria

vita. Gioie e dolori, religioni e ideologie, eroi e codardi, creatori e

distruttori di civiltà, madri e padri, santi e peccatori sono vissute lì, su un

minuscolo granello di polvere sospeso in un raggio di sole.

L'astronomia è un'esperienza di umiltà che forma il carattere. Non c'è

forse migliore dimostrazione della follia delle vanità umane che questa

distante immagine del nostro minuscolo mondo.

Per me, sottolinea la nostra responsabilità di occuparci più gentilmente

l'uno dell'altro, e di preservare e proteggere il pallido punto blu, l'unica

casa che abbiamo mai conosciuto.

Carl Sagan

(1934 - 1996)

…sì che io ho dechiarato infiniti mondi

particulari simili a questo della terra, la

quale intendo un astro, simile alla

quale è la luna, altri pianeti et altre

stelle, le qual sono infinite; et che tutti

questi corpi sono mondi et senza

numero, li quali constituiscono poi la

università infinita in uno spatio infinito;

et questo se chiama universo infinito,

nel qual sono mondi innumerabili

Giordano Bruno, 1548 – 1600

MATERIALE IN ORBITA

INTORNO ALLE STELLE:

UNA «VERITÀ DA SEMPRE»…

Sistemi stellari doppi e multipli

Epsilon Lyrae: un sistema doppio-doppio

2.3

’’

1 2

Solo dopo l’invenzione del telescopio si cominciano a

scoprire sistemi stellari binari e multipli.

1779 – 1803 William Herschel

Primo catalogo di circa 700 sistemi

9 luglio 2013 - Il Washington Double Star Catalog

(USNO) annovera 126.211 sistemi

(fonte: USNO – United States Naval Observatory)

Sistemi stellari doppi e multipli

Dischi protoplanetari

Grazie alla disponibilità di

immagini ottiche e infraros-

se ad alta risoluzione pro-

dotte dal satellite IRAS e

dal Telescopio Spaziale

Hubble, si cominciano a

scoprire dischi e anelli di

materia prima intorno

a Vega e Fomalhaut

e poi intorno ad un

numero sempre

più grande di

stelle.

Dischi protoplanetari

Giove: la “stella mancata”

LA RIVOLUZIONE DEGLI ANNI ‘90

IL CAMMINO VERSO LA SCOPERTA

DEI PIANETI EXTRASOLARI

Pictoris (disco di materia)

HD114762 (nana bruna compagna)

1984

1989

1991

1992

PSR 1257+12 (due pianeti)

Cephei (oscillazioni stellari)

1995 51 Pegasi !

M. Mayor & D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a

solar-type star, Nature 378, 355-359 (23 Nov 1995)

Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari

27 Giugno 2013

906 pianeti identificati in 700 sistemi planetari (di cui 134 con più di un pianeta)

+ 192 in corso di studio in 168 sistemi (di cui 18 multipli)

(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)

Il cammino verso la scoperta dei pianeti extrasolari

27 Giugno 2013

906 pianeti identificati in 700 sistemi planetari (di cui 134 con più di un pianeta)

+

> 3200 candidati dalla Missione Spaziale Kepler !

+ 192 in corso di studio in 168 sistemi (di cui 18 multipli)

(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)

KEPLER (2009 – 2016 2013?)

KEPLER - Telescopio spaziale con specchio primario da 1.4 m

- Fotometro per la ricerca di transiti extrasolari da pianeti di tipo terrestre intorno a stelle di sequenza principale

- Ricerca nel piano galattico, nelle regioni del Cigno, della Lira e del Drago

- Lanciato nel 2009, missione prolungata fino al 2016

- Guasto ad un giroscopio (maggio 2013): fine missione ?

- Oltre 3400 transiti candidati in una piccola regione di cielo

Proiezioni statistiche: 1) almeno 1/3 delle stelle della Via Lattea -circa 80 miliardi-

potrebbero avere sistemi planetari; 2) nella Via Lattea potrebbero esistere oltre 15 miliardi di

pianeti di tipo terrestre.

Un cielo pieno di sistemi planetari Grande Carro

Orione

Triangolo Estivo

KEPLER

Ascensione retta (ore)

Dec

lin

azio

ne

(gra

di)

Stella RA DEC D (pc) M (MJ) T (d) a (UA) Anno

Ari (Hamal) 02h 07m 10s +23° 27′ 44″ 20,2 1,8 380,8 1,2 2011

Cen B 14h 39m 35s -60° 50′ 15″ 1,3 0,0036 3,2357 0,04 2012

PsA

(Fomalhaut) 22h 57m 39s -29° 37′ 20″ 7,704 2 320000 115 2008

Gem (Polluce) 07h 45m 18s +28° 01′ 34″ 10,34 2,9 589,64 1,69 2006

Pic 05h 47m 17s -51° 03′ 59″ 19,3 7,0 7300 8,5 2008

Leo A (Algieba) 10h 19m 58s +19° 50′ 29″ 38,5 8,78 428,5 1,19 2009

Cep A (Alrai) 23h 39m 20s +77° 37′ 56″ 13,79 1,85 903,3 2,05 2003

CrB 15h 57m 35s +26° 52′ 40″ 67,9 6,7 417,9 1,3 2012

Eri 03h 32m 55s -09° 27′ 29″ 3,2 1,55 2502 3,39 2000

Stelle «famose» con pianeti…

La stragrande maggioranza dei pianeti finora scoperti si trova entro 100 anni-luce dal Sole

SOLE

ALFA-CEN 4,3 a.-l.

SIRIO 8,6 a.-l.

70 anni-luce

I METODI DI RICERCA

1) Il metodo delle velocità radiali

STELLA

pianeta

Baricentro del sistema

Il moto del Sole intorno al

baricentro, causato da Giove,

ha una velocità di circa 6.5

m/sec

1) Il metodo delle velocità radiali

1) Il metodo delle velocità radiali

1) Il metodo delle velocità radiali

2) Il metodo astrometrico

STELLA

pianeta

Baricentro del sistema

Lo spostamento del Sole

intorno al baricentro,

causato da Giove, ha

un’ampiezza, vista da 10 pc,

di circa 1 mas

Si va ad osservare e misurare la diminuzione temporanea

di luminosità della stella dovuta al passaggio di un

pianeta dinanzi ad essa.

3) Il metodo dei transiti

3) Il metodo dei transiti

3) Il metodo dei transiti

3) Velocità radiali durante un transito

(effetto Rossiter-MacLaughlin, 1924)

È il metodo più difficile, ma anche quello più sicuro. Grazie

ai grandi telescopi muniti di ottiche adattive, a tecniche

coronografiche, di nulling interferometry e di sottrazione del

segnale della stella centrale sempre più raffinate, si stanno

cominciando ad osservare veri e propri sistemi esoplanetari.

4) L’imaging diretto

4) L’imaging diretto

4) L’imaging diretto

La risoluzione spaziale con le ottiche adattive si spinge fino a 0.04 arcsec

La visibilità con imaging diretto

Distanza stella – Sole (pc)

1.3 3 10 30 100

0.5 9 4 1.25 0.4 0.125

1 19 8 2.5 0.8 0.25

5 96 42 12 4 1.25

10 192 83 25 8 2.5

Dis

tan

za

pia

neta

– s

tell

a

(AU

) r = distanza pianeta – stella (AU) D = distanza stella – Sole (pc) = risoluzione spaziale (arcsec) = 0.04

𝒇 =𝒓

𝑫𝝑

La complementarità dei vari metodi di ricerca

Porb d m R Tsurf e oth orb atm chi str

VEL

RAD TRA

AST

IMG

DIR

L’efficienza dei vari metodi di ricerca

L’efficienza dei vari metodi di ricerca

Velocità radiale della stella: Probabilità di transito: Spostamento astrometrico: Visibilità direct imaging:

𝑣𝑆 ≅𝐺𝑚𝑝

2

𝑀𝑆𝑑

𝑝 =𝑅𝑆𝑑

𝛼 ≅2𝑑

𝐷∙

𝑚𝑝

𝑚𝑝 +𝑀𝑆

𝒇 =𝒅

𝑫𝝑𝒓𝒆𝒔∙ 𝝋𝒍𝒖𝒎

L’efficienza dei vari metodi di ricerca

ESOPIANETI E SISTEMI

ESOPLANETARI: CARATTERISTICHE

1. Il numero di pianeti extrasolari scoperti annualmente è in continua

crescita.

2. Sembra che tutti possano rientrare in quattro ipotetiche classi:

• Hot Jupiters, pianeti giganti molto vicini alla stella madre;

• Earth-like (pianeti rocciosi di tipo terrestre);

• Super-Terre, pianeti di tipo roccioso aventi massa compresa tra quella

terrestre e quella di Nettuno;

• Pianeti-oceano, con grande prevalenza di acqua allo stato liquido

(profondità centinaia di Km).

Lo stato della situazione

Pianeti extrasolari

1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita.

2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi.

3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il

100% , e maggiore nei sistemi compatti.

Lo stato della situazione

Sistemi esoplanetari

GLIESE 581 – Un caso davvero interessante

Gliese 581 (distanza 20 anni-luce) 6 pianeti ?

Nome T (giorni) d (UA) Note

Gliese 581 e 3.15 0.03 (massa terrestre)

Gliese 581 b 5.4 0.04

Gliese 581 c 13 0.07 (roccioso ?)

Gliese 581 g 36.6 0.14 (terrestre abitabile ?)

Gliese 581 d 66.8 0.21 (abitabile ?)

Gliese 581 f 433 0.74

1. Il numero di SISTEMI PLANETARI intorno a stelle diverse da Sole è in crescita.

2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con sistemi.

3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con percentuale tra 30% ed il

100% , e maggiore nei sistemi compatti.

4. Nessuno dei Sistemi Esoplanetari appare tuttavia simile al Sistema Solare.

5. Si sta aprendo un nuovo paradigma per le teorie sulla formazione ed evoluzione dei

sistemi planetari (le nostre conoscenze, relativamente al Sistema Solare, sono

probabilmente errate perché troppo specifiche).

6. Definitiva conferma (se ce ne fosse stato bisogno) che la legge di Titius-Bode non

esiste.

Lo stato della situazione al 2012

Sistemi esoplanetari

LA «HABITABLE ZONE»

ABITABILITÀ PLANETARIA

FASCIA DI ABITABILITÀ

(definizione classica)

L’attitudine di un pianeta a sviluppare condizioni in grado di ospitare forme di vita.

L’intervallo di distanze da una stella, all’interno del quale un pianeta di tipo terrestre è caratterizzato da temperature superficiali tali da mantenere l’acqua allo stato liquido.

ABITABILITÀ (classica) NEL

SISTEMA SOLARE

Mercurio -150 +450 °C

Venere + 480 °C

Terra + 15 °C

Marte -50 +10 °C

-110 °C Giove

-160 °C Saturno

< -200 °C Urano

< -200 °C Nettuno

Limiti della definizione classica

1) si riferisce solo a pianeti di tipo terrestre;

2) la relazione tra temperatura del pianeta Tp e distanza pianeta-stella d sembra dipendere solo dalle proprietà della stella centrale (raggio RS, temperatura superficiale TS), mentre dipende anche dall’albedo a e dall’emissività media del pianeta:

𝑻𝑷 =𝟏 − 𝒂

𝜺

𝟒

∙𝑹𝑺𝟐𝒅

∙ 𝑻𝑺

ESEMPIO. Terra, senza atmosfera:

a = 0.38 , = 0.96 TP 250 K = – 23 °C ! (eff = 0.615)

Utilizzando i dati terrestri effettivi (a = 0.38, = 0.615), invertendo la relazione per isolare d

𝒅 =𝑹𝑺𝟐

𝟏 − 𝒂

𝜺∙𝑻𝑺𝑻𝒑

𝟐

ed imponendo che la temperatura del pianeta sia compresa tra +5 °C (278 K) e +55 °C (328 K), otteniamo le espressioni per i limiti della fascia di abitabilità in funzione dei parametri stellari R e T:

𝒅𝑰𝑵𝑭 = (𝟐. 𝟏𝟕 × 𝟏𝟎−𝟖) ∙𝑹

𝑹𝑺𝑶𝑳𝑬∙ 𝑻𝟐

𝒅𝑺𝑼𝑷 = (𝟑. 𝟎𝟐 × 𝟏𝟎−𝟖) ∙𝑹

𝑹𝑺𝑶𝑳𝑬∙ 𝑻𝟐

espressi in Unità Astronomiche (AU).

Tipi di stelle: 1) il colore (temperatura)

O

30000

60000

°C

B

10000

30000

°C

A

7500

10000

°C

F

6000

7500 °C

G

5000

6000 °C

K

3500

5000 °C

M

< 3500 °C

Tipi di stelle: 2) la luminosità (raggio)

nane

subnane

subgiganti

giganti

supergiganti

Classe spettrale

R / RSOLE T (K) dINF (AU) dSUP (AU)

O5 18 38000 564 785

B0 7.5 30000 146 204

B5 3.8 16400 22 31

A0 2.5 10800 6.3 8.8

F0 1.4 7200 1.57 2.19

G2 1 5777 0.72 1.00

K0 0.85 5150 0.49 0.68

M0 0.63 3920 0.21 0.29

Limiti della definizione classica

3) il criterio di base è legato all’acqua. Ma acqua pura o acqua come solvente di soluzioni saline ?

4) non tiene conto della distribuzione spettrale dell’energia che arriva sui pianeti della zona di abitabilità;

5) non tiene conto dell’evoluzione della stella centrale, rapportata ai tempi necessarie per lo sviluppo della vita;

6) non tiene conto della stabilità della stella centrale;

7) non tiene conto di fattori esterni che possono compromettere lo sviluppo della vita pur in una zona abitabile circumstellare (zone di abitabilità galattica).

Le (strane) proprietà dell’acqua solida

Lunghezza d’onda (Angstrom)

Flu

sso

di

po

ten

za (

W m

-2)

Conseguenze sulla fascia di abitabilità

UV IR Vis

40000 °C

20000 °C

6000 °C

3000 °C

La relazione massa-luminosità ed il tempo di

vita di una stella (in sequenza principale)

L M , > 0

E M

T = E/L M1 –

FASCIA DI ABITABILITÀ…?

1) Stelle blu = intense radiazioni ionizzanti

2) Stelle rosse = energia radiante forse insufficiente

3) Stelle gialle (di tipo solare…): forse OK

a) Stelle grandi (massicce): vivono molto poco

Tuttavia:

b) Stelle piccole: energia radiante forse insufficiente

c) Stelle variabili: sbalzi radiativi possibilmente letali

Zona di abitabilità galattica

I MAGGIORI limiti della definizione classica

8) la fonte di energia è di tipo radiativo (stella centrale) e l’intera teoria si sviluppa intorno all’equilibrio radiativo;

9) si basa sulla vita per come la conosciamo noi, ovvero basata sulla chimica del carbonio.

Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare (oltre la Terra)… ?

Condizioni pre-biotiche nel Sistema Solare (oltre la Terra)… ?

La chimica della vita

C H N O P S

carbonio idrogeno azoto ossigeno fosforo

zolfo

La base è l’ACQUA. Unica ?

Acqua e altri solventi organici

Specie Formula

chimica

Tfus (°C) Tebo (°C) Tmin,f.a. (°C) Tmax,f.a. (°C)

Acqua H2O 0 + 100 + 5 + 55

Metano CH4 - 183 - 161 - 180 - 160

Ammoniaca NH3 - 78 - 33 - 70 - 50

Metanolo CH3OH - 97 + 65 - 90 0

Classe O5, R=18RSOLE, T=38000 K

Acqua Metano Ammoniaca Metanolo

564 – 785 5719 – 8808 1220 – 1472 814 – 1812

Classe A0, R=2.5RSOLE, T=10800 K

Acqua Metano Ammoniaca Metanolo

6.3 – 8.8 64 – 99 14 – 17 9.1 – 20

Classe G2, R=RSOLE, T=5777 K

Acqua Metano Ammoniaca Metanolo

0.72 – 1.00 7.34 – 11.31 1.57 – 1.89 1.05 – 2.33

Classe M0, R=0.63RSOLE, T=3920 K

Acqua Metano Ammoniaca Metanolo

0.21 – 0.29 2.13 – 3.28 0.45 – 0.55 0.30 – 0.67

EQUAZIONE DI DRAKE (1961)

N = Ns

Ns = numero di stelle nella Via Lattea

fp

fp = frazione di stelle con pianeti

ne

ne = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita

fl

fl = frazione di pianeti ne che ha effettivamente sviluppato la vita

fi

fi = frazione di pianeti fl su cui si sono evoluti esseri intelligenti

fc

fc = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare

fL

fL = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà evoluta

N = Ns fp ne fl fc fi fL

N = Ns fp ne fl fc fi fL

L’EQUAZIONE DI DRAKE

N = Ns

Ns = numero di stelle nella Via Lattea

fp

fp = frazione di stelle con pianeti

ne

ne = numero di pianeti, per sistema, in grado di ospitare la vita

fl

fl = frazione di pianeti ne che ha effettivamente sviluppato la vita

fi

fi = frazione di pianeti fl su cui si sono evoluti esseri intelligenti

fc

fc = frazione di esseri intelligenti in grado di comunicare

fL

fL = frazione di vita del pianeta durante la quale esiste una civiltà evoluta

200 miliardi

0,5

0,5

0,5

0,2

0,2

1 milionesimo (10.000 anni)

ESEMPIO

N = 1000 Paradosso di Fermi

(150 Km/h) 2560 ore > 3 mesi

(1000 Km/h) 384 ore = 16 giorni

Una spiegazione del paradosso di Fermi. Le grandi distanze astronomiche

Terra – Sole = 150 milioni di Km = 1 Unità Astronomica (UA)

> 114 anni > 17 anni

Terra – Giove = 5,2-1 UA = 4,2 UA = 630 milioni di Km

480 anni 71 anni

Terra – Alfa Centauri 265000 UA 40.000 miliardi di Km

.... !!! ... !!!

IL PROBLEMA DELLA COMUNICAZIONE

M13

Le grandi distanze e il problema della comunicazione.

t

t

Civiltà 2

Civiltà 1

inizio fine

PIANETA 1

PIANETA 2

d

t = d / c

S E T I

?

La via opposta a Drake…

Ipotesi della « rarità della Terra » Ward & Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe, Copernicus (Springer-Verlag), New York, 2000 (336 p.)

L’ «equazione della rarità della Terra»

N = Ns

Ns = numero di stelle nella Via Lattea

fg

fg = frazione di stelle nella zona di abitabilità galattica

ne

ne = numero medio di pianeti, per sistema, nella zona abitabile stellare

fp

fp = frazione di stelle con pianeti

fpm

fpm = frazione di pianeti rocciosi (non gassosi)

fi

fi = frazione di pianeti con forme di vita elementare

fc

fc = frazione di pianeti con forme di vita complesse

fL fm fj fme

fl = frazione della vita del pianeta in cui è presente una forma di vita complessa

fm = frazione di pianeti abitabili con un grande satellite (come la Luna)

fj = frazione di sistemi con pianeti giganti

fme = frazione di pianeti ove siano accadute poche estinzioni di massa

I limiti delle «equazioni della vita»…

Se l’equazione di Drake appare molto ottimista e quella della rarità della Terra è, al contrario, estremamente pessimista, va però detto che quest’ultima accoglie fattori che Drake non ha considerato negli anni ‘60, quali la zona di abitabilità galattica, i fattori stabilizzanti della Terra (l’azione della Luna e le perturbazioni secolari dei pianeti giganti) e, in ultimo, la «tranquillità» del sistema planetario, che evidentemente non deve essere eccessivamente ricco di elevati fattori di rischio estinzione per la vita.

Tuttavia nessuna delle due considera, ad esempio, la possibilità che la vita si sviluppi in pianeti dalla densa atmosfera, o su satelliti rocciosi di pianeti, anche al di fuori della fascia di abitabilità.

Una versione migliorata dovrebbe, ad esempio, non considerare solo i «pianeti», ma tutti i corpi che appartengono al sistema planetario e che, per un motivo o per l’altro, siano caratterizzati da abitabilità.

… e le nostre conoscenze limitate

sul fenomeno «vita»

Qual è l’elemento chimico VERAMENTE fondamentale per la vita ?

L’importanza del FOSFORO nei processi

vitali

Adenina

Timina

Citosina

Guanina

Scheletro formato da blocchi di 2-deossiribosio giunti da gruppi fosfato

L’importanza del FOSFORO nei processi

vitali

Il «ponte» dei gruppi fosfato si basa su un legame particolare, detto legame fosfodiesterico. Solo il fosforo, per le sue caratteristiche fisiche di valenza ed elettronegatività, è in grado di assicurare questo legame…!

Il fosforo (e quindi la vita) portato sulla Terra dai meteoriti ?

CONCLUSIONI 1) La ricerca di pianeti extrasolari e, fra questi, di pianeti

che ospitano forme di vita, è una scienza molto giovane. 2) Essa appare tuttavia estremamente promettente e

soprattutto di enorme valenza interdisciplinare. 3) La ricerca della vita richiede infatti conoscenze di

meccanica celeste, termodinamica, fluidodinamica, astrfisica stellare e galattica, planetologia, geologia e meteorologia planetaria, chimica, biologia, astrobiologia.

4) Né vanno ignorate le implicazioni culturali in senso più ampio, ad esempio filosofiche, antropologiche, religiose, che vengono aperte dalla prospettiva che si scoprano forme di vita aliene.

LA RICERCA PROSEGUE, A TUTTO CAMPO…!