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Corso Base di AstronomiaCorso Base di AstronomiaDaniele GasparriDaniele Gasparri
Lezione 3, 09/12/2010: I pianeti extrasolariLezione 3, 09/12/2010: I pianeti extrasolari- Come vengono scopertiCome vengono scoperti
- Alla ricerca della vitaAlla ricerca della vita
Mail: [email protected] internet: www.danielegasparri.com
Pianeti Extrasolari: nuovi mondi
…Pertanto dobbiamo capire che esistono altri mondi in altre parti dell'Universo, con tipi differenti di uomini e di animali – Lucrezio, De Rerum Natura, 70 A.C.
Cotal spacio lo diciamo infinito, perché non è raggione, convenienza, possibilità, senso, o natura che debba finirlo: in esso sono infiniti mondi simili a questo, e non differenti in geno da questo; perché non è raggione né difetto di facultà naturale, dico tanto potenza passiva quanto attiva, per la quale, come in questo spacio circa noi ne sono, medesimamente non ne sieno in tutto l’altro spacio, che di natura non è differente e altro da questo. – Giordano Bruno, De l'infinito, universo et Mondi, Dialogo Quinto 1584
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Dicembre 2010
424 sistemi planetari, 506 pianeti attualmente conosciuti
Almeno il 15% delle stelle ha un pianeta, forse il 30%
Nella Galassia ci sono 100 miliardi di stelle
Almeno 15 miliardi di sistemi planetari
Nell’Universo vi sono circa 500 miliardi di galassie
Nell’Universo vi sono almeno 10000000000000000000000 pianeti.
Se anche solo 1 pianeta su 10 miliardi fosse abitato, vi sarebbero mille miliardi di pianeti abitati nell’Universo.
Probabile sistema planetario in Alpha Centauri? (il sistema stellare a noi più vicino, 4,24 anni luce)
Se fossimo soli sarebbe un incredibile spreco di spazio – Carl Sagan
La prima scoperta risale al 1992: 3 pianeti attorno ad una pulsar
Pulsar : stelle piccole e dense, ruotano attorno al proprio asse decine o centinaia di volte al secondo
Gli albori di una rivoluzione astronomica
Primo pianeta attorno ad una stella di sequenza principale: 51 Pegasi, (1995); massa comparabile con quella di Giove
In soli 15 anni si è rivoluzionata totalmente la conoscenza del nostro Universo
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Come si scoprono i pianeti extrasolari?
I pianeti sono troppo deboli e troppo vicini alle stelle per poter essere osservati direttamente.
Giove e il Sole, alla distanza di 10 anni luce, apparirebbero separati di 0,17 secondi d’arco, con Giove milioni di volte meno luminoso del Sole: nessuno strumento è in grado di poter effettuare (ancora) questo tipo di osservazioni.
NO!
Come mettere in mostra la loro presenza?....................
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(Quasi) Tutti i pianeti extrasolari si scoprono con metodi indiretti, ma altrettanto validi
Si misura l’effetto che un pianeta produce (sia pur piccolo) sulla stella attorno alla quale orbita:
…..Metodi Indiretti
Timing
5 Metodi principaliMetodo delle velocità radiali Metodo astrometrico
Metodo dei transiti
Microlensing
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Metodo delle velocità radiali
Attualmente questo è il metodo che consente la massima probabilità di scoperta. Sono 471 i pianeti così individuati
Un sistema formato da almeno due corpi (stella + pianeta) ruota attorno al comune centro di massaSe la stella possiede un pianeta compie anche essa una piccola orbita attorno a questo punto, altrimenti resta fissa
Attraverso lo studio dello spettro stellare possiamo risalire alla velocità orbitale della stella e capire se essa compie questa piccola orbita oppure no, quindi capire se ha almeno un pianeta che la disturba.Come si misura la velocità orbitale di un corpo distante migliaia di miliardi di km?
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Attraverso l’effetto doppler: lo spettro di una sorgente luminosa in allontanamento appare spostato verso il rosso; viceversa, se è in avvicinamento è spostato verso il blu.
Misurando lo spostamento, periodico, si risale alla velocità radiale (cioè lungo l’osservatore) e quindi a preziose informazioni sul corpo che non vediamo, cioè il pianeta.Precisioni attuali: velocità di 1 m/s è possibile scoprire pianeti grandi come Urano o Nettuno
Metodo delle velocità radiali
Effetto doppler Curva di velocità radiali
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Metodo astrometrico
Per quanto detto prima:
Una stella con almeno un pianeta ruota attorno al centro di massa
Misurando la sua posizione riesco (teoricamente) a misurare la sua orbita, il suo spostamento.
Il metodo delle velocità radiali analizza la velocità, quello astrometrico, lo spostamento, ma il principio è lo stesso
E’ molto difficile misurare lo spostamento stellare, maggiore quando maggiore è il pianeta (che non vediamo)
Il metodo astrometrico consente, attualmente, di scoprire solo pianeti più grandi di Giove
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Microlensing gravitazionaleUna stella vicina che transita prospetticamente di fronte ad una sorgente lontana (Stella, Quasar...) produce un effetto di lente: amplifica la luce della sorgente di sfondo
Se la stella vicina possiede un pianeta, anche il suo campo gravitazionale amplifica la sorgente di fondo, producendo un picco secondario
Metodo molto preciso, consente di scoprire pianeti simili alla Terra
Purtroppo è irripetibile sotto le stesse condizioni: il fenomeno di microlensing è raro e si verifica generalmente una volta.
Attualmente sono noti 11 pianeti: il più piccolo è di circa 5 masse terrestri
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TimingLa presenza di uno o più pianeti altera il periodo di pulsazione di alcune stelle particolari
Gli istanti di tempo sono le misurazioni più facili e precise da fare
Pulsar e stelle di neutroni ruotano centinaia di volte al secondo, con un periodo precisissimo
Un pianeta altera questo periodo di pochi miliardesimi di secondo
Si possono scoprire pianeti simili alla Terra
Purtroppo l’ambiente non è adatto ne all’esistenza di pianeti, ne tantomeno ad un’eventuale vita
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Metodo dei transiti
Un pianeta che passa prospetticamente davanti la propria stella provoca una diminuzione della sua luminosità.
Misurando la quantità di luce della stella in funzione del tempo (curva di luce) si può mettere in mostra il transito planetario.
La forma di un transito è ben definita ed impossibile da equivocare
Dall’analisi del transito si ricavano dati preziosi ed unici:
massa esatta, inclinazione orbitale, periodo orbitale esatto, raggio, densità media, informazioni sull’atmosfera e sulla struttura interna del pianeta.
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89 pianeti scoperti fino ad ora
L’attuale strumentazione consente di rivelare cadute di luce di meno di un millesimo di magnitudine.
Massa e dimensioni dei pianeti rivelabili dipendono dalle dimensioni della stella.
Dall’analisi spettroscopica del transito si può ricavare lo spettro prodotto dall’atmosfera del pianeta:
Si può scoprire la sua composizione atmosferica
Metodo dei transiti
Si possono scoprire pianeti dal raggio 30 inferiore alla stella.
Stella di classe M R=0,5 Rsole Rpianeta= 12000 Km= 2RTerra
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…Il metodo dei transiti può essere applicato anche dagli astrofili
Pianeta extrasolare TrEs-4, gigante gassoso con periodo di 4 giorni
Pianeta extrasolare TrEs-2. Molto simile a Giove, con periodo di 3 giorni
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Transito del pianeta extrasolare HD17156b, rivelato, per la prima volta al mondo, da un gruppo di astrofili, con strumentazione amatoriale.
E’ il pianeta transitante, attualmente conosciuto, con il maggiore periodo di rivoluzione, appartenente ad una nuova classe di pianeti extrasolari
Molti pianeti hanno masse uguali o superiori a Giove giganti gassosi
Molti hanno periodi orbitali brevi, dell’ordine di qualche giorno molto caldi, e molto diversi dalla Terra
Attualmente nessun pianeta è simile, per massa e distanza dalla stella, alla Terra
Il nostro sistema solare è unico?NO!
L’attuale popolazione planetaria è frutto delle tecniche di indagine e non rispecchia necessariamente quella reale della nostra Galassia....
Caratteristiche medie dell’attuale popolazioneDaniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Qualche pianeta particolare
Molti sono detti Giovi caldi pianeti grandi quanto o più di Giove, orbitanti a distanza di qualche milione di Km dalla Stella
Pianeti estremamente caldi (oltre 1000°C), ruotano attorno alla stella in 3-5 giorni.
I Giovi caldi (Hot Jupiter) pongono non pochi problemi ai planetologi:
Come è possibile che a quelle piccole distanze si siano formati pianeti così grandi?
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Qualche pianeta particolare...
HD209458b
Giove caldo, estremamente vicino alla stella madre
La sua atmosfera, composta principalmente di idrogeno, sta lentamente evaporando, lasciando una scia simile alla coda di una cometa
Sono stati misurati imponenti venti compresi tra 5000 e 10000 Km/h
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BD+20 1790b 35 milioni di anni solamente, 83 anni luce dalla Terra, 6 volte la massa di Giove: pianeta più giovane mai scoperto.Candidato preziosissimo per rispondere ad alcune domande:
Come si formano?
Come evolvono?
Quali proprietà?
Qualche pianeta particolare...
La scoperta di numerosi pianeti extrasolari ha messo in profonda crisi tutte le teorie di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari prima basate solo sul nostro sistema solare che sembra costituire un’eccezione
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HD189733b
Giove caldo, transitante sul disco della propria stella.
Nella sua atmosfera sono state trovate tracce di acqua
Qualche pianeta particolare...
L’acqua è una delle molecole più abbondanti dell’Universo
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Esistono pianeti simili alla Terra?
Obiettivi attuali: scoprire pianeti simili alla Terra
Corot, satellite ESA, dicembre 2006
Kepler, telescopio orbitante NASA, aprile 2009 dedicato alla ricerca di pianeti abitabili
MEarth project, transiti attorno a stelle di tipo M (60000): tempi di circa 2 settimane, profondità 5 millesimi di magnitudine. Rete di telescopi da 40 centimetri
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Alla ricerca della vita: cosa e come cercareDaniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Si stimano 100 milioni di pianeti abitabili nella Galassia
• Pianeti di tipo roccioso, con dimensioni al massimo pari a 2-3 volte la Terra e massa non superiore alle 7 volte
• Stelle simili o meno brillanti del Sole
• Orbite non troppo strette giusta distanza dal Sole
• Sistemi non multipli nella periferia della Galassia
Dove cercare: la zona abitabile
La vita come la conosciamo ha bisogno solo di un elemento: acqua liquida
Occorrono le condizioni adatte affinché l’acqua possa esistere allo stato liquido
La zona abitabile è uno stretto “corridoio” nel quale un pianeta delle giuste dimensioni potrebbe ospitare acqua liquida: condizione necessaria ma non sufficiente (vedi punti precedenti)
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Se tutti i punti precedenti sono positivi (massa, dimensioni, distanza dalla stella, stabilità temporale e gravitazionale), bisogna studiarne lo spettro
Lo spettro di un pianeta extrasolare può fornirci la prova dell’esistenza o della possibilità di vita:
• Presenza di vapore acqueo
• Presenza di ossigeno: prova inconfondibile della presenza di vita aerobica
• Presenza di metano: prova della presenza di vita anerobica.
E’ solo una questione di tempo: se esistono moltissimi pianeti di tipo “hot-jupiter”, cosa impedisce l’esistenza di almeno la stessa quantità di pianeti Earth-like? Nulla!
Come si può capire se un pianeta è simile alla Terra?Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Prima bisogna scoprire i candidati alla giusta distanza e con le giuste dimensioni:
• COROT-7b , 1,7 volte più grande (in diametro) della Terra, 440 anni luce dalla Terra, densità simile alla Terra pianeta roccioso, ma molto caldo
• GJ 1214b, super Terra
• HD156668b 4 volte la massa della Terra, Keck telescope, velocità radiali (super Earths), molto vicino alla stella
Poi bisogna studiarne lo spettro…..100 volte più difficile rispetto allo spettro di un hot-jupiter
Le ricerche attuali sono ancora lontani dallo scoprire la vita…Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari
Kepler ha identificato almeno una decina di possibili candidati Earth-like; prepariamoci ad una rapida successione di scoperte
…ma cominciano ad arrivare risultati interessanti
Sono necessari telescopi più “potenti” per poter avere conferme o smentite
La nana rossa Gliese 581 possiede due pianeti all’interno della fascia di abitabilità
Gliese 581C ha circa 5 volta la massa della Terra, ma sembra più simile a Venere
Gliese 581d ha 7 volte la massa della Terra (metà la massa di Urano) e si trova ai margini della zona abitabile. Condizioni simili a Marte?
Gliese 581g è nel mezzo della zona abitabile, poco più grande della Terra. Può essere un pianeta vivibile?
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Prospettive future
Kepler dovrebbe identificare almeno 60 pianeti simili alla Terra e potenzialmente abitabili nei prossimi anni
Darwin (ESA): 4 telescopi interferometrici per rilevare direttamente pianeti extrasolari
Terrestrial planet finder (NASA): progetto simile a Darwin
Progetti senza una data certa: possibile collaborazione ESA-NASA?
Siamo ad un punto di svolta nella conoscenza dell’Universo e nella ricerca di una risposta all’eterna domanda: Siamo soli nell’Universo? E’ ancora presto per dirlo con certezza, ma appare quantomeno improbabile
Daniele Gasparri - - I pianeti extrasolari