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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

HD 40307g, una super-Terra in zona abitabile

09 Nov 2012 04:57 PM – Michele Diodati

HD 40307 è una stella di sequenza principale nella costellazione meridionale del Pittore. Appartiene alla classe spettrale K2.5 e ha un'età stimata in circa 4,5 miliardi di anni, approssimativamente uguale a quella del Sole. È però più fredda, meno massiccia, meno luminosa e meno ricca di metalli del Sole: la temperatura effettiva è di 4.977 K, la massa e la luminosità sono rispettivamente il 77% e il 23% di quelle solari, la metallicità è circa la metà, con [Fe/H] = −0,31 ± 0,03 dex. Il periodo di rotazione è intorno ai 48 giorni, il livello di attività stellare molto basso. La distanza dalla Terra, stimata in base all'angolo di parallasse misurato dal satellite astrometrico Hipparcos, è poco meno di 42 anni luce.

HD 40307 è la stella al centro esatto dell'immagine. L'area osservata misura 25 minuti d'arco per lato. Cortesia: Digitized Sky Survey 2

HD 40307 è la stella al centro esatto dell'immagine. L'area osservata misura 25 minuti d'arco per lato. Cortesia: Digitized Sky Survey 2

HD 40307 è dunque una stella molto tranquilla e molto vicina al sistema solare: una candidata ideale per la ricerca di esopianeti per mezzo della misurazione delle variazioni della velocità radiale. Fu pertanto inserita nel programma HARPS GTO (Guaranteed Time Observations) e monitorata per alcuni anni, misurandone la velocità radiale con lo spettrografo HARPS montato sul telescopio da 3,6 m dell'ESO in Cile, lo stesso strumento che ha permesso la recente scoperta di un pianeta di massa terrestre in orbita intorno ad Alfa Centauri B.

Uno studio pubblicato nel 2009 su Astronomy & Astrophysics annunciava i risultati di quattro anni e mezzo di monitoraggio della velocità radiale di HD 40307, basati su un totale di 135 misurazioni. L'analisi dei dati indicava la presenza di tre super-Terre (pianeti con masse comprese tra 2 e 10 masse terrestri), che percorrevano orbite quasi circolari di durata molto breve. I calcoli indicavano per HD 40307b, il pianeta più interno, una massa minima di 4,2 masse terrestri, un periodo di 4,3 giorni e un semiasse maggiore dell'orbita di 0,047 au, pari a una distanza dalla stella di poco più di 7 milioni di km (sei volte e mezzo meno della distanza minima di Mercurio dal Sole). Per il secondo pianeta, HD 40307c, la massa minima era 6,9 masse terrestri, il periodo 9,6 giorni, il semiasse dell'orbita 0,081 au (12,1 milioni di km). Il terzo pianeta, HD 40307d, risultava avere massa minima pari a 9,2 masse terrestri, periodo di 20,4 giorni, semiasse dell'orbita di 0,134 au (20 milioni di km).

Un sistema planetario, quindi, del tutto diverso dal nostro: tre pianeti più massicci di Mercurio, Venere e Terra, posti tutti e tre su orbite molto ravvicinate alla stella, con distanze pari a una frazione della distanza di Mercurio dal Sole. I dati misurati da HARPS indicavano tuttavia un segnale residuo che non si poteva ridurre ai tre pianeti individuati, ma che non era neppure sufficiente a determinare la presenza di un quarto pianeta. Gli autori dello studio rimandavano così a future stagioni di osservazione della velocità radiale di HD 40307 ogni ulteriore tentativo di comprendere meglio la natura del quarto segnale.

I parametri delle tre super-Terre scoperte nel 2009 intorno a HD 40307. Cortesia: A&A 493, 639-644 (2009)  DOI: 10.1051/0004-6361:200810451

I parametri delle tre super-Terre scoperte nel 2009 intorno a HD 40307. Cortesia: A&A 493, 639-644 (2009) DOI: 10.1051/0004-6361:200810451

Tuttavia, vi sono casi in cui i dati disponibili contengono già tutte le informazioni necessarie. Bisogna solo interrogare i dati nel modo giusto. È quello che ha fatto il gruppo di ricercatori guidato da Mikko Tuomi e Guillem Anglada-Escudé, i risultati del cui lavoro sono stati presentati in uno studio pubblicato il 7 novembre 2012 in pre-stampa su arXiv.org.

La nuova ricerca ha utilizzato i 345 spettri di HD 40307 acquisiti con HARPS nel corso di 135 notti, pubblicamente disponibili nell'archivio dell'ESO, e li ha ri-analizzati con un nuovo software sviluppato specificamente per questo scopo dal team di Tuomi e di Anglada-Escudé. Il nuovo software, chiamato HARPS-TERRA (Template-Enhanced Radial velocity Re-analysis Application), ha permesso di recuperare e quantificare deboli segnali planetari ricavabili dalle velocità radiali misurate di HD 40307, grazie a un sistema di calcoli probabilistici basato sull'inferenza Bayesiana. Il nuovo approccio e i risultati raggiunti sono spiegati dagli autori nell'introduzione del loro studio:

Negli studi precedenti, le velocità radiali ricevute entro un intervallo di un'ora o giù di lì venivano di solito scartate insieme, nel tentativo di ridurre il rumore causato da effetti legati alla superficie stellare, cioè oscillazioni stellari e granulazione, e altri fattori all'interno di questa scala temporale. In principio, ciò renderebbe possibile la rilevazione con HARPS di pianeti più piccoli, grosso modo, di 5 masse terrestri, lungo una varietà di distanze orbitali, anche fino alla zona abitabile della stella o quasi. Nel nostro approccio, invece di scartare i dati, applichiamo uno schema auto-consistente per tenere in considerazione e quantificare il rumore correlato nel contesto Bayesiano. Usiamo poi le probabilità nel modello Bayesiano per mostrare che una soluzione contenente fino a sei pianeti è chiaramente favorita dai dati, specialmente quando si usa nell'analisi della velocità radiale la parte più rossa dello spettro stellare. Soltanto la convergenza degli affinamenti in questi metodi di analisi dei dati (ri-analisi degli spettri e inferenza Bayesiana) consente il rilevamento e la verifica di questi segnali di bassa ampiezza.

Il metodo statistico usato dal gruppo di Tuomi e Anglada-Escudé procede per affinamenti successivi dei modelli di sistema planetario intorno a HD 40307, valutando le probabilità di una certa soluzione alla luce delle probabilità calcolate per le soluzioni precedenti. Alla fine di questo processo di affinamenti progressivi, è risultato che una soluzione con sei oggetti in orbite kepleriane è circa 500 milioni di volte più probabile della soluzione con cinque oggetti. E miliardi di volte più probabile della soluzione originale proposta nel 2009, in cui i pianeti rilevati erano soltanto tre.

Il risultato finale della ri-analisi delle velocità radiali di HD 40307 è che intorno a questa nana di classe K girano sei pianeti, tutti quanti nella gamma di masse delle super-Terre. Ritrovati facilmente nei segnali della velocità radiale i tre pianeti già scoperti nel 2009, il nuovo studio ne identifica altri tre, più lontani dalla stella e con periodi orbitali di conseguenza più lunghi. Il quarto pianeta, HD 40307e, ha una massa minima di 3,5 masse terrestri, un anno di 34,62 giorni e si trova a una distanza di 0,18 au dalla stella (28,2 milioni di km). Il quinto pianeta, HD 40307f, ha una massa minima di 5,2 masse terrestri, un anno di 51,76 giorni e dista circa un quarto di unità astronomica dalla stella (36,9 milioni di km).

Il più interessante di tutti è il sesto pianeta, HD 40307g, il cui segnale sulla velocità radiale è di 0,95 m/s, appena superiore alla soglia di errore sistematico attribuibile allo spettrografo, pari a 0,8 m/s. Questo pianeta, che dei sei è quello con l'orbita più ellittica (e = 0,29), è l'unico a trovarsi a una distanza "ragionevole" dalla stella: circa 0,6 au, cioè poco meno di 90 milioni di km. Il suo anno dura 197,8 giorni, un po' meno di quello di Venere, mentre la massa minima è 7,2 volte quella della Terra.

I parametri dei sei pianeti rilevati con il nuovo approccio statistico utilizzato dal gruppo di Tuomi e Anglada-Escudé. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

I parametri dei sei pianeti rilevati con il nuovo approccio statistico utilizzato dal gruppo di Tuomi e Anglada-Escudé. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

Grazie al fatto che HD 40307 è parecchio meno luminosa del Sole, la distanza di 0,6 au rende HD 40307g ben dentro la zona abitabile, quella con la possibilità di acqua liquida alla superficie, anche tenendo conto dell'eccentricità della sua orbita:

La cosiddetta zona abitabile (HZ) dell'acqua liquida è l'area intorno a una stella nella quale un pianeta simile alla Terra potrebbe supportare acqua liquida alla sua superficie. Per HD 40307, questa HZ si trova tra 0,43 e 0,85 au. ... Con un semiasse maggiore dell'orbita di 0,60 au, il candidato pianeta HD 40307g riceve circa il 62% della radiazione che la Terra riceve dal Sole e si trova felicemente all'interno della HZ della sua stella madre. Anche se la radiazione è piuttosto bassa rispetto a quella ricevuta dalla Terra, va notato che la Terra si trova attualmente abbastanza vicina al limite interno della HZ del Sole.

Il grafico mette a confronto le zone abitabili del sistema solare e del sistema planetario di HD 40307. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

Il grafico mette a confronto le zone abitabili del sistema solare e del sistema planetario di HD 40307. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

Un altro elemento a favore dell'abitabilità di HD 40307g è il fatto che, trovandosi a una certa distanza dalla sua stella, molto probabilmente non si trova bloccato in un'orbita sincrona. Se, dunque, su quel pianeta c'è un alternarsi del giorno e della notte con ritmi anche lontanamente simili a quelli della Terra, allora è anche più probabile che vi siano condizioni climatiche non troppo dissimili da quelle terrestri.

Purtroppo per ora non possiamo sapere nulla di più preciso su HD 40307g. Non conosciamo l'inclinazione dell'orbita, la massa effettiva, il raggio, la densità e, pertanto, se si tratta di un pianeta roccioso o gassoso. Né tantomeno sappiamo se abbia un'atmosfera e di che cosa sia composta. Per sapere tutto ciò, anzi per avere innanzitutto una conferma che i tre nuovi candidati pianeti siano effettivamente corpi celesti e non solo entità statistico-matematiche, sarebbe necessario quanto meno che fossero rilevabili col metodo del transito. Tuttavia, l'orbita di HD 40307g è di lungo periodo e la probabilità che sia osservabile un transito del pianeta davanti alla sua stella è solo dello 0,6% o giù di lì. Per di più, i tentativi di osservare transiti del pianeta più interno, che ha un periodo di soli 4,3 giorni, finora sono falliti, il che indica che molto probabilmente l'inclinazione del piano orbitale rispetto al nostro punto di vista non consente di osservare transiti. Se si assume che le orbite dei pianeti in uno stesso sistema siano grosso modo complanari, basterebbe solo questo per escludere del tutto la possibilità di osservare un transito di HD 40307g.

L'unica, vera speranza è riposta nell'acquisizione diretta di immagini del (candidato) pianeta. Per ottenerle, occorrerà attendere però, se va bene, ancora diversi anni. Per esempio il lancio della missione Darwin dell'ESA: una costellazione di telescopi spaziali che dovrebbero lavorare insieme con la tecnica dell'interferometria, producendo immagini con una risoluzione angolare fino a 40 millesimi di secondo d'arco. Poiché la separazione angolare tra HD 40307g e la sua stella è di circa 46 millesimi di secondo d'arco, ottenere una sua immagine diretta rientrerebbe nelle possibilità del telescopio Darwin. Ma il fatto che diverse pagine di documenti tecnici su questa missione dell'ESA non siano più visibili online non depone certo a favore del prosieguo di questo ambizioso progetto.

Una rappresentazione artistica di HD 40307g. Cortesia: J. Pinfield

Una rappresentazione artistica di HD 40307g. Cortesia: J. Pinfield

La posizione di HD 40307 nella costellazione del Pittore. Cortesia: Omnidoom 999 / Wikipedia

La posizione di HD 40307 nella costellazione del Pittore. Cortesia: Omnidoom 999 / Wikipedia

I parametri stellari di HD 40307. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

I parametri stellari di HD 40307. Cortesia: arXiv:1211.1617 [astro-ph.EP]

Una simulazione della struttura del sistema planetario di HD 40307, realizzata con il software Celestia. Cortesia: G. Anglada-Escudé

Riferimenti

Tag: HD 40307, esopianeti, velocita radiale, HARPS, articoli

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