I pianeti extrasolari

La formazione dei pianeti, le tecniche di osservazione dei pianeti extrasolari, catalogazione

Anche se i pianeti al di fuori del nostro sistema solare non sono mai stati visti,ci sono delle ragioni valide per pensare che esistano e che non siano solo una caratteristica del nostro sole.Basti pensare al notevole numero di galassie che popolano il nostro Universo (circa cento miliardi) e al fatto che in ognuna di queste galssie vi siano miliardi di stelle;la probabilità che in alcune di esse orbitino dei pianeti è alta.E poi nel 1995 arrivarono le prime conferme dell'esistenza di pianeti orbitanti attorno a stelle diverse dal nostro sole,individuati grazie a particolari tecniche che spiegheremo più avanti.È importante capire cosa si intende per sistema planetario,e a tal fine è bene distinguere tra stelle singole e multiple. Nel caso di sistemi stellari singoli,per sistema planetario s'intende un sistema che è legato gravitazionalmente e che,oltre ad essere costituito da una stella centrale,presenta almeno due pianeti che le orbitano attorno.Il Sistema solare presenta una struttura non gerarchica nella distribuzione dei suoi pianeti,poiché tutti e nove ruotano su orbite quasi circolari attorno al Sole,una stella singola. Considerando invece sistemi stellari multipli (ad esempio binari),i pianeti potrebbero a loro volta ruotare attorno al comune centro di massa,producendo una struttura gerarchica con una situazione molto più complessa e dovuta,probabilmente,ad un meccanismo di formazione planetaria completamente diverso.Di questa struttura gerarchica si ha un esempio anche nel nostro Sistema solare in quanto il satellite di Plutone,Caronte,è di massa e dimensioni paragonabili a quelle del pianeta principale tale da costituire un sistema di pianeti doppio.Si ritiene però che tale configurazione non sia dovuta al meccanismo originario di formazione del Sistema solare ma alla cattura di un asteroide esterno all'orbita di Plutone.
Ogni teoria di formazione planetaria deve essere in accordo con le osservazioni e in particolare con la teoria della formazione del Sistema solare.Secondo quanto si è valutato per il meccanismo di formazione del Sistema solare possiamo ritenere che la formazione di una stella e del suo eventuale sistema planetario si svolga in tre fasi principali.

• La prima consiste nel collasso di una nube molecolare,da cui si origina una protostella,circondata da un disco di gas e polveri che si estende fino a 100 U.A. (U.A.=Unità Astronomica),la cui durata è di circa 100.000 anni.
• La seconda, nell'aggregazione di gas e polveri sulla stella centrale, che porta alla formazione di una stella di sequenza principale che, a sua volta, innesca le reazioni nucleari e determina una ridistribuzione del materiale in una struttura a forma di disco con tempi che variano da 10 a 100 milioni di anni.
• La terza è la formazione di una nebulosa stellare quiescente che, in seguito, accumulandosi ulteriormente, darà luogo ai pianeti: il tempo per completare questo stadio finale è molto più lungo, fino a 200 milioni di anni.

Nell'ottobre del 1995 M. Mayor e D. Queloz dell'Osservatorio di Ginevra annunciarono la scoperta di un pianeta di grande massa attorno alla stella,di tipo solare,51 Pegasi.Pochi mesi dopo anche G. W. Marcy e R.P. Butler della San Francisco State University e della University of California,Berkley,riferirono dell'individuazione di altri due corpi in orbita intorno a stelle dello stesso tipo: 47 Ursae Majoris e 70 Virginis.Da allora sino ad oggi il numero di pianeti extrasolari ha raggiunto la ragguardevole cifra di cinquanta!

Tecniche di osservazione

I pianeti extrasolari,ad oggi,possono essere individuati in due modi: indirettamente, tramite effetti fisici che ne provino l'esistenza,oppure osservarli direttamente con le immagini astronomiche.

• La rilevazione indiretta: la stella principale di un sistema extrasolare è certamente visibile,e l'ipotetico pianeta si può individuare in base agli effetti che provoca sulla stella principale.Due sono i principali metodi indiretti: quello astrometrico e quello spettroscopico; a questi due va aggiunta la fotometria a terra, che sta rivelandosi sempre più interessante in questi ultimi anni.Tutte queste tecniche rivelano gli effetti gravitazionali che la presenza del compagno planetario determina sulla stella,in conseguenza del loro moto attorno al comune centro di massa.
• La rilevazione diretta non serve,se non in alcuni casi particolari, per la scoperta dei pianeti extrasolari ma,una volta scoperti con metodi indiretti,permette di studiarne alcune caratteristiche,ad esempio la presenza della materia diffusa intorno alle stelle.

Entrambi questi metodi purtroppo non sono in grado di individuare pianeti extrasolari di tipo terrestre.Cerchiamo adesso di accennare i due metodi,astrometrico e spettroscopico,per averne un'idea,senza approfondire,il che richiederebbe l'applicazioni di formule che esulano dagli scopi di questa pagina.

- Metodo astrometrico: questa tecnica si basa sullo studio del moto apparente delle stelle proiettato sulla volta celeste.Le stelle più vicine al Sole mostrano,in un dato periodo,un moto proprio maggiore delle stelle lontane,che invece appaiono immobili nel cielo.La ricerca dei pianeti extrasolari,effettuata mediante l'astrometria,richiede una misura accurata della posizione della stella per un lungo periodo di tempo così da verificare se il suo moto proprio è lineare o se invece presenta delle oscillazioni provocate dalla presenza di eventuali compagni.Questa tecnica fornisce risultati ottimali nel caso di sistemi planetari in stelle vicine e con pianeti massicci orbitanti lontano dalla stella principale e con orbite di lungo periodo.L'estrema difficoltà di queste misure è messa in evidenza ricordando che un pianeta di "tipo terrestre" in orbita attorno ad un altro sole richiederebbe,per essere rilevato,misure di moto proprio con una precisione di un milionesimo di secondo d'arco: ben al di là delle possibilità osservative attuali.

- Metodo spettroscopico: le tecniche spettroscopiche sono basate sulle misure degli spostamenti verso il blu o verso il rosso, per effetto Doppler,delle linee spettrali, particolarmente intense,osservate nello spettro della stella principale, e sono quelle che hanno dato i risultati più interessanti.

Questi due metodi non permettono di rivelare pianeti con raggio orbitale maggiore di 10 unità astronomiche (come Urano e Nettuno del nostro Sistema solare) in quanto richiedono periodi di osservazione troppo lunghi né con raggio orbitale minore di 0,03 unità astronomiche, sia perché le maree della stella centrale distruggerebbero i pianeti, sia perché essi potrebbero essere inglobati nella atmosfera della stella principale.Ricordiamo,inoltre,che, per masse superiori alle 10 Masse di Giove, probabilmente non si tratta di pianeti,ma di Nane Brune.Queste ultime si originano allo stesso modo delle stelle ma non accumulano abbastanza massa da generare le alte temperature capaci di innescare la fusione nucleare nel loro nucleo.Oggetti con massa compresa tra le 0,01 e 0,08 masse solari vengono dette "Nane Brune".Le prime prove inconfutabili della loro esistenza si sono avute in seguito alla scoperta di una di esse (Gliese 229 B) trovata vicino ad una Nana Rossa, Gliese 229.

Classificazione

I pianeti extrasolari possono essere classificati in tre classi principali.

• Pianeti di "tipo 51 Pegasi": a questa categoria appartengono 51 Pegasi b, 55 Cancri b, tau Boo ed ups And . Si tratta di pianeti che ruotano attorno alla stella principale molto velocemente (con periodi di pochi giorni) e con orbite quasi circolari.Il semiasse maggiore è compreso tra 0.05 ed 0.1 U.A., cioè a meno di 1/3 dell'orbita di Mercurio dal Sole.
• Pianeti di "tipo 70 Virginis": a questa classe appartengono 70 Virginis B ed HD 114762, che ruotano a distanze tra le 0.4 e 0.5 U.A. con orbite molto ellittiche.Avendo una massa maggiore di 10 volte quella di Giove, potrebbero anche essere delle "Nane Brune".
• Pianeti di "tipo 47 Ursae Majoris": questa classe comprende oltre a 47 Ursae Majoris B anche Lalande 21885 b e 16 Cygni B b. Si tratta di pianeti con semiassi maggiori superiori alle 1.5 U.A. con un ampio spettro di eccentricità orbitali.

E' importante cercare i pianeti extrasolari per capire come si forma un sistema planetario, per avere indicazioni sull'evoluzione stellare di stelle di piccola massa e per cercare di porre le basi per la ricerca di pianeti terrestri,questa una sfida alquanto difficile ad oggi.Infatti non è ancora possibile riuscire non solo ad individuare pianeti di "taglia" terrestre, ma siamo ancora lontani dalla possibilità di distinguere la luce della stella da quella dell'ipotetico pianeta e, quindi, fare la spettroscopia delle atmosfere dei pianeti.Ora si sta cercando di individuare,mediante tecniche "coronografiche",pianeti con atmosfere "terrestri" riuscendo a risolvere l'atmosfera di pianeti a massa sempre più piccola.