Gaia: Ricerca degli esopianeti

Con la sua panoramica a cielo aperto sulla posizione, la luminosità e il movimento di oltre un miliardo di stelle nella nostra galassia della Via Lattea, Gaia fornirà un grande set di dati per cercare pianeti extrasolari – pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal Sole. Questi saranno scoperti monitorando piccoli cambiamenti nella posizione di una stella e il movimento causato dall’attrazione gravitazionale di uno o più pianeti attorno ad esso, e cercando i tuffi nella luce stellare causata da un pianeta che transita davanti alla sua stella madre.

Lo studio dei pianeti attorno alle stelle oltre il Sole è un argomento recente in astronomia, con le prime scoperte che risalgono alla fine degli anni ’80 e all’inizio degli anni ’90. Esistono ora solide prove per alcune migliaia di sistemi planetari, di cui diverse centinaia ospitano più di un pianeta [1] .

esopianeti
L’impressione dell’artista di un pianeta che transita su una stella. Credito: ESA / ATG medialab

A causa del vasto numero di stelle che vengono rilevate da Gaia su tutto il cielo, la missione ha il potenziale di scoprire molte migliaia di nuovi pianeti extrasolari entro poche migliaia di anni luce dal Sole, attraverso misure astrometriche e fotometriche [2 ] .

TROVARE L’OSCILLAZIONE – RILEVANDO GLI ESOPIANETI CON MISURE ASTROMETRICHE

Utilizzando misurazioni ripetute per un periodo di tempo per ciascuna delle oltre un miliardo di stelle osservate da Gaia, gli scienziati possono determinare cinque parametri: la posizione bidimensionale della stella sul piano del cielo in un momento di riferimento, la bidimensionale movimento corretto (la proiezione sul cielo del vero movimento della stella attraverso la Galassia) e la parallasse (lo spostamento annuale della posizione apparente della stella a causa del moto della Terra attorno al Sole).

Questa animazione mostra come la presenza di un pianeta in orbita attorno a una stella si riflette nel movimento della stella. Infatti, sia la stella che il pianeta orbitano attorno al centro comune di massa. Poiché la maggior parte della massa nel sistema pianeta-stella è concentrata nella stella, il centro di massa si trova all’interno della stella. l movimento della stella, che oscilla attorno al centro di massa, può essere rilevato tramite astrometria, misurando il modo in cui la posizione della stella varia nel tempo o tramite la tecnica della velocità radiale, misurando gli spostamenti periodici delle linee di assorbimento nello spettro della stella . Gli scienziati si aspettano che la missione Gaia dell’ESA rileverà alcune decine di migliaia di esopianeti a 500 parsec (circa 1600 anni luce) dal Sole con la tecnica astrometrica. Non è previsto che Gaia rilevi gli esopianeti usando la tecnica della velocità radiale; tuttavia, la missione fornirà misurazioni utili per identificare i falsi rilevamenti perché l’accuratezza sarà sufficiente a chiarire che alcuni candidati sono stelle doppie anziché stelle con un pianeta in orbita.

La presenza di uno o più oggetti (altre stelle o pianeti) in orbita attorno a una stella perturba il suo movimento, e questa perturbazione si riflette nelle posizioni, che non corrispondono esattamente a un moto stellare puro descritto con parallasse e movimento appropriato.

Finora, meno di una manciata di esopianeti sono stati scoperti usando questa tecnica astrometrica con osservazioni a terra, mentre le informazioni astrometriche fornite dalla missione Hipparcos dell’ESA (il predecessore di Gaia), il telescopio spaziale Hubble della NASA / ESA e grandi basi terrestri I telescopi sono stati usati per affinare la determinazione dell’orbita dei sistemi planetari che erano stati scoperti con il metodo della velocità radiale.

Con una precisione astrometrica anticipata di circa 10 microarcsecondi [3] per le stelle più luminose [4] , gli scienziati prevedono che sarà possibile rilevare alcune decine di migliaia di esopianeti a 500 parsec (circa 1600 anni luce) dal Sole misurando l’oscillazione che provocano nel percorso seguito dalle loro stelle progenitrici nel cielo [5] .

Rilevare pianeti extrasolari con astrometria. Credito: ESA .

Sulla base delle stime attuali della distribuzione dei pianeti e delle loro orbite, circa 1000-1500 di queste scoperte dovrebbero essere pianeti orbitanti attorno a stelle nane di tipo M entro una distanza di 100 parsec (circa 320 anni luce) da noi. Queste stelle rosse sono più fredde, più piccole e meno massicce del Sole (con masse che vanno da 0,05 a 0,50 masse solari) e rappresentano la popolazione stellare più abbondante nella nostra Galassia.

Le stelle nane di tipo M sono particolarmente interessanti per le ricerche sugli extrasolari perché ce ne sono molte e hanno una massa bassa – il secondo significa che sono soggette a oscillazioni più grandi rispetto alle loro controparti più massicce orbitate da un pianeta di una data massa. Inoltre, a causa delle basse temperature superficiali, le nane di tipo M ospitano pianeti potenzialmente abitabili a distanze molto più ravvicinate rispetto alle stelle più calde e più massicce.

La tecnica astrometrica può essere utilizzata per rilevare pianeti con periodi che vanno da diversi giorni a diversi anni. Un aspetto importante di questa tecnica è che consente agli scienziati di misurare la massa del pianeta, a differenza della tecnica della velocità radiale che fornisce solo un limite inferiore alla massa.

RILEVAZIONE DEL DIP – UTILIZZANDO LA FOTOMETRIA PER SCOPRIRE GLI ESOPIANETI IN TRANSITO

Se l’orbita di un pianeta extrasolare è allineata in modo tale che il pianeta attraversa il disco della sua stella madre vista dalla Terra, allora è possibile rilevare la presenza del pianeta in termini di una diminuzione periodica della luminosità della stella.

Rilevare gli esopianeti con il metodo di transito. Credito: ESA.

Per rilevare un pianeta extrasolare usando questo metodo di “transito”, le osservazioni devono essere eseguite mentre il pianeta si muove attraverso il disco della stella madre. Questo transito avviene solo su una piccola parte dell’orbita totale del pianeta. Poiché i transiti sono più frequenti per i pianeti a breve periodo, questa tecnica è più adatta per rilevare pianeti con periodi orbitali tra uno e alcuni giorni.

I sondaggi per la ricerca di pianeti extrasolari in transito sono di solito progettati in modo che le osservazioni delle stelle padre siano frequenti, per catturare quanti più transiti possibili. Il modo in cui Gaia ispeziona il cielo significa che osserverà ogni stella in media 70 volte durante i cinque anni della missione nominale, ma quando e con quale frequenza le osservazioni sono fatte sarà determinato dalla legge sulla scansione e non può essere modificato. Tuttavia, se una stella è orbita da un pianeta in transito, allora alcune osservazioni acquisite dal satellite durante i transiti potrebbero essere sufficienti per ottenere un rilevamento.

Gli scienziati prevedono che, con la precisione delle misure fotometriche di Gaia [6] , sarà possibile scoprire da alcune centinaia a poche migliaia di pianeti massicci e in transito del Giove bollente e tipi di Giove molto caldi. Questi sono pianeti giganti gassosi, circa la massa di Giove, che orbitano la loro stella madre a distanze molto brevi, molto più piccoli della distanza di Mercurio dal Sole, completando un’orbita su scale temporali di pochi giorni.

Come test, un team di scienziati del Gaia Data Processing and Analysis Consortium ha esaminato il valore di un anno di dati dal satellite per due stelle che sono noti per ospitare transiti esopianeti. Dalle osservazioni di 24 Gaia delle osservazioni WASP-19b e 20 Gaia di WASP-98b, hanno trovato un’osservazione per ogni stella che si trovava durante un transito. Questo risultato preliminare ha dato agli scienziati la sicurezza che la rilevazione di pianeti extrasolari in transito con Gaia potrebbe essere fattibile.

Gaia ha piegato la curva di luce di WASP-19b. Credito: ESA / Gaia / DPAC / CU7Gaia ha piegato la curva di luce di WASP-98b. Credito: ESA / Gaia / DPAC / CU7
Gaia ha piegato la curva di luce di WASP-19b.
Credito: ESA / Gaia / DPAC / CU7
Gaia ha piegato la curva di luce di WASP-98b.
Credito: ESA / Gaia / DPAC / CU7

Inoltre, è probabile che poche dozzine di esopianeti rilevati utilizzando le misurazioni astrometriche di Gaia diventeranno pianeti in transito con periodi da due a tre anni, che non sarebbero stati rilevati tramite il metodo di transito a causa dei loro lunghi periodi. Una volta identificati questi pianeti, tuttavia, sarà possibile osservarli durante un transito (o cercare un possibile transito già registrato nella fotometria di Gaia) ed estrarre informazioni aggiuntive come la configurazione orbitale del sistema.

APPLICAZIONI

Con un ampio campione, potenzialmente decine di migliaia, di exopianeti appena rilevati, Gaia consentirà agli scienziati di effettuare studi statistici sulle proprietà e sulla frequenza dei pianeti in funzione delle caratteristiche della stella madre. Ciò a sua volta permetterà loro di imparare di più sulla formazione e l’evoluzione di diversi tipi di pianeti e sistemi planetari, contribuendo a mettere il nostro Sistema Solare in un contesto più ampio.

GLI APPUNTI

[1] A partire dal 2 febbraio 2017, il sito web del team di Exoplanet ( exoplanet.eu ) elenca 3576 pianeti confermati in 2686 sistemi (inclusi 602 sistemi multipli), l’archivio degli esopianeti della NASA ( exoplanetarchive.ipac.caltech.edu ) elenca 3447 pianeti confermati (lungo con quasi 4700 candidati al transito di Keplero), e l’Exoplanet Data Explorer ( exoplanets.org ) elenca 2950 confermati (di cui 2925 hanno una robusta determinazione dell’orbita).

[2] Non è previsto che Gaia rilevi gli esopianeti usando la tecnica della velocità radiale, che si basa sulla ricerca di spostamenti periodici delle linee di assorbimento negli spettri delle stelle. Questi sono causati dalla oscillazione della stella derivante da uno o più pianeti in orbita. Anche se su Gaia è presente uno spettrometro a velocità radiale, questo strumento non raggiungerà la sensibilità necessaria per rilevare gli esopianeti. Tuttavia, le misurazioni di Gaia saranno molto utili nell’identificare i falsi allarmi perché l’accuratezza è sufficiente a chiarire che alcuni candidati sono stelle doppie piuttosto che stelle con un pianeta in orbita.

[3] Minuti o secondi di arco sono usati per descrivere angoli molto piccoli. Un arcminuto è un sessantesimo di grado e un arcosecondo è un sessantesimo di un minuto d’arco. Un microarsecondo, che è un milionesimo di un secondo d’arco, equivale al bordo di una moneta in euro sulla Luna vista dalla Terra.

[4] La precisione 10 microarcseconds previsto per le stelle più luminose nel catalogo finale Gaia sarà basata sui dati cumulativi della missione nominale di cinque anni; la precisione delle singole misurazioni sarà di circa 60 microarecondi per le stelle più luminose.

[5] Stime correnti, da Perryman et al. Il 2014 suggerisce che verranno rilevati 21.000 (± 6000) exopianeti con 500 parsec (circa 1600 anni luce) utilizzando misure astrometriche della missione nominale di Gaia di cinque anni.

[6] L’errore atteso sulle misure fotometriche di Gaia è di circa 1-10 millimagnitudini.

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