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…!