Confronto tra la Terra e Kepler 452b

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Sicuramente una delle più grandi domande che l’uomo si è posto nei millenni è quella sulla nostra unicità. Siamo soli nell’universo? Esistono altre forme di vita, magari anche molto semplici? E qualcuna di intelligente come la nostra? Esiste un’altra Terra?

Rispondere a questi quesiti è un compito molto difficile, soprattutto a causa della vastità del Cosmo. La statistica ci impone di pensare che, su miliardi e miliardi di stelle presenti nell’Universo, almeno una contenga un pianeta come il nostro e che magari ospiti forme di vita intelligenti. La pratica, come vedremo, è molto più complicata.

I metodi disponibili per la ricerca di pianeti extra-solari

Fotografare un pianeta in modo diretto la maggior parte delle volte è impossibile, a causa della grande quantità di luce emessa dalla sua stella. Solo in alcuni casi ciò è possibile: quando il pianeta è molto massivo, si trova distante dalla stella madre ed è molto caldo, in modo da poterlo osservare negli infrarossi. Con l’aiuto supplementare di strumenti quali i coronografi (strumenti in grado di bloccare la luce proveniente dalla stella madre) è stato possibile riprendere immagini dirette di alcuni pianeti.

Attualmente la ricerca di pianeti-extrasolari si svolge per la maggior parte con metodi indiretti. Il principio di base è il seguente: noi non possiamo vedere il pianeta direttamente, ma sappiamo che esiste e quali sono le sue caratteristiche osservando gli effetti della sua presenza. Gli astronomi nel corso degli anni hanno sviluppato diversi metodi. Vediamo di seguito quelli principali.

Metodo delle velocità radiali

Un fenomeno molto noto e utilizzato in astronomia è quello dell’effetto Doppler, lo stesso fenomeno che rende il suono della sirena dell’ambulanza più acuto mentre si avvicina a noi e più grave mentre si allontana. In pratica, la frequenza apparente di un onda (luminosa o sonora che sia) varia in base al moto relativo di sorgente e osservatore.

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Funzionamento dell’effetto Doppler.

Spiegherò ora in termini molto semplici come funzione l’effetto Doppler. Immaginiamo di essere fermi e che un’ambulanza si stia avvicinando a noi. La sirena emette un fronte d’onda, che arriva a noi in un certo lasso di tempo t. Il fronte d’onda successivo viaggia alla stessa velocità di quello precedente, ma poichè l’ambulanza è più vicina, dovrà percorrere meno strada e quindi arriva alle nostre orecchie in un tempo t’ < t. Il risultato è che i due fronti d’onda sembrano essere più vicini, e quindi la frequenza del suono che noi udiamo è più acuta. Viceversa se l’ambulanza si allontana, il secondo fronte d’onda ci mette più tempo del primo ad arrivare alle nostre orecchie, i fronti d’onda sembrano più distanti e il suono ci appare più grave.

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Il metodo delle velocità radiali. Quando il pianeta si allontana il suo spettro è spostato verso il rosso, quando si avvicina è spostato verso il blu.

Come possiamo applicare tutto questo all’osservazione astronomica? Gli atomi e le molecole che compongono le atmosfere stellari assorbono alcune frequenze della luce bianca generata dalle stelle, restituendo il cosiddetto spettro di assorbimento. Quello che si nota è che, a causa dell’effetto Doppler, le righe di assorbimento sono più spostate verso il rosso o verso il blu a seconda che la stella si stia allontanando o avvicinando a noi. Nel primo caso si parla di redshift, nel secondo caso di blueshift.

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Spettro spostato verso il rosso a causa del redshift.

Quando un pianeta passa davanti alla stella o nelle sue vicinanze, quello che noi osserviamo è che alcune righe dello spettro della stella oscillano periodicamente a seconda che il pianeta si stia allontanando o avvicinando da noi. Analogamente con questo metodo si possono scoprire delle stelle compagne che formano un sistema binario con la stella principale. Con questo metodo sono stati scoperti diversi pianeti, tuttavia la tecnica è limitata a pianeti molto vicini alla loro stella, in quanto bisogna seguirne l’orbita continuamente per determinare i due estremi dell’oscillazione dello spettro. Inoltre questo metodo funziona solo con stelle più brillanti della quindicesima magnitudine perchè è necessario usare uno spettro di buona qualità.

Metodo del transito

Questo metodo funziona solo quando c’è un allineamento preciso tra Terra, stella e pianeta, e si basa su un principio molto semplice: quando il pianeta transita di fronte alla propria stella, esso la occulta parzialmente causando una minima diminuzione della luminosità della stella che è possibile rilevare. Il bello di questo metodo è che si può usare anche su distanze molto grandi, però come già detto richiede un allineamento perfetto.

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Transito di un pianeta davanti alla propria stella e relativa curva di luminosità.

Metodo astrometrico

Anche se la Luna sembra orbitare intorno alla Terra, in realtà i due corpi celesti ruotano insieme intorno ad un baricentro che si trova a circa 1.500 km di profondità all’interno del nostro pianeta. La stessa cosa accade per esempio nel sistema formato da Plutone e Caronte, in modo molto più evidente. Avendo i due corpi celesti masse non troppo diverse (in rapporto di circa nove a uno), il baricentro si trova all’esterno sia di Plutone che di Caronte. Questo principio è alla base del metodo astrometrico per individuare pianeti ma anche stelle compagne. In pratica, conoscendo il moto proprio di una stella, se si osservano delle oscillazioni o delle variazioni nel suo movimento che non sono correlate al moto proprio, allora significa che potrebbe esserci un secondo corpo celeste in orbita intorno alla stella. Questo metodo tuttavia non viene mai utilizzato in quanto è molto difficile conoscere in modo preciso il moto proprio di una stella, e inoltre per dare buoni risultati il piano dell’orbita del pianeta deve essere perpendicolare alla nostra linea visiva.

Metodo del microlensing gravitazionale

Il fenomeno del microlensing gravitazionale affonda le sue radici nella teoria della relatività, e in particolare nel fatto che un’oggetto dotato di massa curva lo spazio intorno a sé. Come si può notare dall’immagine qui sotto, quando ad esempio una stella passa di fronte ad un altro oggetto di sfondo, essa agisce da lente in quanto con la sua massa curva i raggi luminosi provenienti dall’oggetto sullo sfondo. Il risultato è che l’oggetto di sfondo, negli istanti del transito, aumenta la sua luminosità apparente. Questo principio può essere applicato a diverse combinazioni di oggetti, come stelle, galassie, buchi neri.

Alla ricerca di una nuova Terra (Parte 1)

Una corpo massivo come una stella può fungere da lente e aumentare la luminosità di un oggetto sullo sfondo.

Però come può questo effetto esserci utile nell’individuare i pianeti? In condizioni di orientamento favorevole, una stella con un pianeta può aumentare in modo ancora più intenso la luminosità della stella sullo sfondo. I vantaggi principali sono che si possono trovare anche pianeti di dimensioni simili alla Terra e non necessariamente orbitanti intorno alla stella che fa da lente. Gli svantaggi invece sono che gli eventi di microlensing non sono ripetibili e richiedono una serie di allineamenti precisi. Per ovviare a questi inconvenienti, vengono osservate porzioni del cielo contenenti un’alta concentrazione di stelle, come ad esempio il bulge galattico. Grazie a questa tecnica sono stati scoperti 19 pianeti extrasolari (dato risalente al 2014).

Conclusione

In questa prima parte abbiamo esaminato i metodi principali attualmente disponibili per scoprire pianeti extrasolari. Nelle prossime puntate, vedremo come tali metodi sono stati messi in pratica e quali e quanti pianeti sono stati finora scoperti, le loro dimensioni e parleremo anche di abitabilità.

A presto!

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