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Un diario di cose celesti

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Kepler-47, il primo sistema circumbinario con (almeno) due pianeti

30 Aug 2012 10:27 AM – Michele Diodati

Kepler-47 è il primo sistema planetario circumbinario finora scoperto che ha più di un pianeta. È stata rilevata, infatti, la presenza di almeno due pianeti, simili per dimensioni a Nettuno e Urano, in orbita intorno a due stelle, una delle quali di tipo solare e una più piccola e fioca. Il sistema è nella costellazione del Cigno e dista 4.900 anni luce dalla Terra. Il pianeta più esterno, Kepler-47c, si trova in piena zona abitabile e potrebbe, forse, ospitare lune con acqua liquida in superficie.

Rappresentazione artistica del sistema circumbinario Kepler-47. In primo piano il pianeta più grande e più lontano dalle due stelle, Kepler-47c, come apparirebbe osservato da una sua ipotetica luna. In basso a destra il pianeta più piccolo e vicino alle due stelle, Kepler-47b. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Rappresentazione artistica del sistema circumbinario Kepler-47. In primo piano il pianeta più grande e più lontano dalle due stelle, Kepler-47c, come apparirebbe osservato da una sua ipotetica luna. In basso a destra il pianeta più piccolo e vicino alle due stelle, Kepler-47b. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Dal suo lancio nel 2009 a oggi, il telescopio spaziale Keplero ha permesso di scoprire 2300 candidati pianeti in orbita intorno ad altre stelle e 2100 sistemi binari in cui le due stelle si eclissano a vicenda. Da questa massa di dati erano finora emersi solo quattro sistemi planetari circumbinari, sistemi, cioè, al cui centro si trovano due stelle invece di una: Kepler-16, Kepler-34, Kepler-35 e Kepler-38. In tutti e quattro i casi, però, si erano trovate le tracce di un unico pianeta. Kepler-47, il quinto sistema circumbinario di cui si abbia conferma, è il primo ad avere almeno due pianeti in orbita intorno a una coppia di stelle. La notizia della scoperta appare in uno studio pubblicato online su Science il 28 agosto, il cui primo autore (su 39) è Jerome A. Orosz, un astronomo dell'Università di San Diego negli Stati Uniti.

Kepler-47, nella costellazione del Cigno, dista circa 4900 anni luce dalla Terra e ha una magnitudine apparente di 15,1. La stella primaria del sistema, Kepler-47A, è quasi una gemella del Sole: ha massa pressoché uguale, raggio pari al 96% di quello solare, temperatura effettiva di 5636 K (140 gradi meno del Sole). La luminosità è però minore: solo l'84% di quella solare. La stella secondaria, Kepler-47B, è molto più piccola e fioca. Ha massa, raggio e luminosità che sono, rispettivamente, il 36%, il 35% e l'1,4% di quelli del Sole. La sua luminosità bolometrica è solo 1/60 di quella di Kepler-47A. La temperatura effettiva è di 3357 K. Separate da 12,5 milioni di km, le due stelle ruotano intorno al comune centro di massa in 7,44 giorni.

La rilevazione di pianeti circumbinari con il metodo del transito è molto più complicata della rilevazione intorno a stelle singole. Un sistema binario è infatti una sorta di bersaglio mobile. Le due stelle non sono mai esattamente allo stesso posto quando i pianeti transitano loro davanti rispetto al punto di osservazione del telescopio Keplero. Ciò rende le piccole eclissi generate dai loro transiti molto variabili per durata e periodicità. La situazione è ulteriormente complicata dalle reciproche eclissi delle due stelle e, nel caso di Kepler-47, dalla presenza di macchie stellari sulla superficie della stella primaria.

Nonostante tali difficoltà, una sofisticata analisi matematica delle curve di luce registrate da Keplero permette di identificare inequivocabilmente le tracce di due pianeti in orbita coplanare intorno alle due stelle. Del primo pianeta, Kepler-47b, sono stati registrati ben 18 transiti. Il suo anno dura 49,5 giorni terrestri. Il raggio è pari a tre volte quello della Terra (poco più di 19.000 km) ed è il più piccolo pianeta circumbinario finora scoperto. Non ha una massa sufficiente a generare perturbazioni visibili sull'orbita delle due stelle, sicché la sua massa e, per conseguenza, la sua densità sono ignote. Abbiamo solo un limite superiore, ricavato appunto dalla mancanza di variazioni nell'orbita delle due stelle, che corrisponde a 2 masse gioviane, l'equivalente di 635 masse terrestri: davvero troppo, per una pianeta che ha solo tre volte il raggio della Terra. La massa più probabile del pianeta – dicono gli autori dello studio – è compresa tra 7 e 10 masse terrestri, il che ne farebbe una sorta di fratello minore di Nettuno, con circa 0,4 - 0,6 masse nettuniane. Non sappiamo se sia un pianeta roccioso o gassoso. In ogni caso, dista appena 44 milioni di km dalle due stelle: meno di Mercurio dal Sole, il che lo pone ben al di fuori della zona abitabile e ne fa un luogo assai poco ospitale per la vita come noi la conosciamo.

Del secondo pianeta, Kepler-47c, sono stati registrati solo 3 transiti. Il suo anno di 303 giorni terrestri è solo di poco più breve del nostro. Con 4,6 ± 0,2 raggi terrestri (poco meno di 30.000 km), è un po' più grande di Urano. La massa e la densità, così come per l'altro pianeta, sono ignote, a causa della mancanza di una trazione gravitazionale misurabile sulle due stelle. Il limite superiore posto dai calcoli, pari a 28 masse gioviane, è sicuramente troppo elevato. La massa effettiva probabile del pianeta è compresa tra 16 e 23 masse terrestri. Dista dal sistema stellare poco meno di una unità astronomica e, se avesse un'orbita circolare (cosa che i tre transiti registrati non permettono di accertare), riceverebbe un'insolazione media pari all'87,5% di quella che la Terra riceve dal Sole, con variazioni di circa il 9%. Ciò significa che è ben dentro quella che consideriamo la zona abitabile: un pianeta di tipo terrestre che si trovasse al posto di Kepler-47c potrebbe avere acqua liquida alla superficie. Ma probabilmente Kepler-47c è solo l'ennesimo gigante gassoso e non ha quindi una superficie solida su cui far attecchire forme di vita. Potrebbe però avere delle lune e, quelle sì, sarebbero una destinazione interessante per un'esplorazione alla ricerca di vita extraterrestre. Peccato, ovviamente, per l'abisso di spazio che ci separa da quel sistema: 4.900 anni luce sembrano davvero troppi per qualsiasi tecnologia, anche futuribile, alla portata della specie umana.

Va segnalato, infine, che durante il 977° giorno dei 1050 complessivi di dati fotometrici disponibili per Kepler-47, è stato registrato un transito "orfano", cioè una diminuzione della luce stellare non attribuibile né al pianeta più interno né a quello più esterno. L'analisi matematica ha confermato che questo transito è stato reale, non essendo riconducibile nei parametri di un'incertezza statistica della fluttuazione delle curve di luce. Ma, in mancanza di ulteriori transiti, non è possibile dire nulla di sicuro sulle caratteristiche dell'eventuale terzo pianeta del sistema che potrebbe averlo causato. L'unica informazione ricavabile al momento è che il terzo pianeta potrebbe avere, in base alla durata del transito, un raggio pari approssimativamente a 4,5 raggi terrestri. Tutto il resto – massa, densità, distanza dalle due stelle, durata dell'anno, eccentricità – richiede per essere conosciuto che si registrino in futuro nuovi transiti, compatibili con l'unico finora registrato. Ma non è detto che si verifichino. La situazione è infatti complicata da vari fattori: uno di questi è la gran quantità di eclissi reciproche delle due stelle, che, unite alla presenza di macchie stellari sulla stella primaria, hanno reso impossibile, per un totale di 26,6 giorni su 1050, osservare eventuali transiti planetari. Se, dunque, uno o più transiti dell'ignoto terzo pianeta sono capitati proprio durante quei 26,6 giorni, sono andati perduti. Infine, potrebbe essere che il terzo pianeta percorra un'orbita inclinata rispetto agli altri due pianeti. Ciò avrebbe come conseguenza che non vi sarebbe necessariamente un transito davanti al disco stellare in occasione di ciascuna delle prossime congiunzioni (similmente a quanto accade per il pianeta Venere, i cui transiti davanti al disco del Sole, rispetto alla Terra, sono molto più rari degli allineamenti Sole-Venere-Terra).

Tutto ciò premesso, il terzo pianeta potrebbe esistere e avere, per esempio, un'orbita intermedia rispetto a Kepler-47b e c. Semplicemente non lo sappiamo.

I parametri delle due stelle e dei due pianeti del sistema Kepler-47. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

I parametri delle due stelle e dei due pianeti del sistema Kepler-47. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Rappresentazione schematica del sistema Kepler-47 visto dall'alto e di lato. I quadratini rossi evidenziano la posizione dei due pianeti, la croce il centro di massa del sistema. Come si vede dalla vista laterale, entrambi i pianeti transitano davanti alla stella primaria (A), ma non davanti alla secondaria (B). Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Rappresentazione schematica del sistema Kepler-47 visto dall'alto e di lato. I quadratini rossi evidenziano la posizione dei due pianeti, la croce il centro di massa del sistema. Come si vede dalla vista laterale, entrambi i pianeti transitano davanti alla stella primaria (A), ma non davanti alla secondaria (B). Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

I due pannelli superiori illustrano le variazioni dell'insolazione ricevuta da Kepler-47c, supponendo che la sua orbita sia perfettamente circolare. In tal caso la variazione, dovuta al periodo orbitale delle due stelle di 7,4 giorni, sarebbe compresa tra 0,84 e 0,91 volte l'insolazione che la Terra riceve mediamente dal Sole (1368 W/m<sup>2</sup>). Molto diversa sarebbe la situazione se l'orbita di Kepler-47c fosse eccentrica, situazione mostrata nei due pannelli inferiori. Nero, verde, blu e rosso indicano rispettivamente eccentricità <i>e</i> = 0,0, 0,1, 0,2 e 0,4. Le linee orizzontali tratteggiate rappresentano i limiti superiore e inferiore della zona abitabile, calcolati in relazione al rapporto tra gas serra e variazione dell'insolazione. Un'eccentricità pari a 0,4 scatenerebbe un effetto serra incontrollabile. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

I due pannelli superiori illustrano le variazioni dell'insolazione ricevuta da Kepler-47c, supponendo che la sua orbita sia perfettamente circolare. In tal caso la variazione, dovuta al periodo orbitale delle due stelle di 7,4 giorni, sarebbe compresa tra 0,84 e 0,91 volte l'insolazione che la Terra riceve mediamente dal Sole (1368 W/m<sup>2</sup>). Molto diversa sarebbe la situazione se l'orbita di Kepler-47c fosse eccentrica, situazione mostrata nei due pannelli inferiori. Nero, verde, blu e rosso indicano rispettivamente eccentricità <i>e</i> = 0,0, 0,1, 0,2 e 0,4. Le linee orizzontali tratteggiate rappresentano i limiti superiore e inferiore della zona abitabile, calcolati in relazione al rapporto tra gas serra e variazione dell'insolazione. Un'eccentricità pari a 0,4 scatenerebbe un effetto serra incontrollabile. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Al giorno 977 del blocco di 1050 giorni di dati fotometrici disponibili per il sistema Kepler-47, 12 ore dopo il transito del pianeta <i>b</i>, è stato registrato un transito "orfano", non attribuibile né al primo né al secondo pianeta del sistema. L'indizio di un terzo pianeta? Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Al giorno 977 del blocco di 1050 giorni di dati fotometrici disponibili per il sistema Kepler-47, 12 ore dopo il transito del pianeta <i>b</i>, è stato registrato un transito "orfano", non attribuibile né al primo né al secondo pianeta del sistema. L'indizio di un terzo pianeta? Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Le curve di luce corrispondenti al transito della stella secondaria davanti alla stella primaria diventano più comprensibili se si assume che la primaria sia leggermente oscurata da una macchia stellare che ruota un po' più lentamente rispetto alla durata del ciclo orbitale di 7,4 giorni. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

Le curve di luce corrispondenti al transito della stella secondaria davanti alla stella primaria diventano più comprensibili se si assume che la primaria sia leggermente oscurata da una macchia stellare che ruota un po' più lentamente rispetto alla durata del ciclo orbitale di 7,4 giorni. Cortesia: Jerome A. Orosz, William F. Welsh <i>et al.</i> (2012)

L'illustrazione mette a confronto le dimensioni relative dei pianeti e delle zone abitabili di Kepler-47 e del sistema solare. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

L'illustrazione mette a confronto le dimensioni relative dei pianeti e delle zone abitabili di Kepler-47 e del sistema solare. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Rappresentazione artistica di Kepler-47c (<i>a sinistra</i>) e Kepler-47b, che tiene conto delle dimensioni relative dei due pianeti e della loro probabile natura di giganti gassosi. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Rappresentazione artistica di Kepler-47c (<i>a sinistra</i>) e Kepler-47b, che tiene conto delle dimensioni relative dei due pianeti e della loro probabile natura di giganti gassosi. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Un breve video della NASA che illustra la scoperta. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle

Un analogo video dell'INAF, con commento in italiano. Cortesia: Marco Malaspina / INAF

Riferimenti:

Tag: Kepler-47, telescopio spaziale keplero, metodo del transito, esopianeti, sistemi binari, pianeti circumbinari, articoli

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