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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

L'esopianeta della porta accanto

18 Oct 2012 10:32 AM – Michele Diodati

L'hanno trovato, finalmente! Un pianeta, intendo, intorno ad Alfa Centauri. Era ora, dopo decenni di racconti e film di fantascienza, in cui il sistema triplo di Alfa Centauri, distante poco più di 4 anni luce dalla Terra, è stato usato come ovvio, naturale luogo d'elezione di pianeti abitati da civiltà aliene. Ultimi casi famosi Cybertron, il pianeta dei Transformers, e Pandora, lussureggiante luna in orbita intorno al gigante gassoso Poliphemus in Avatar.

Ma la realtà è sempre meno scenografica della finzione cinematografica e letteraria. È molto difficile che il pianeta appena scoperto abbia lune lussureggianti e ancor di più che sia abitato da sofisticate civiltà tecnologiche: in orbita ad appena sei milioni di km da una stella simile al Sole, è con ogni probabilità un inferno arido e soffocante, sterilizzato dalla radiazione ultravioletta e dal vento stellare. Un luogo molto più caldo e inospitale di Mercurio.

Rappresentazione artistica del pianeta appena scoperto in orbita intorno ad Alfa Centauri B. Cortesia: ESO / L. Calçada / N. Risinger (skysurvey.org)

Rappresentazione artistica del pianeta appena scoperto in orbita intorno ad Alfa Centauri B. Cortesia: ESO / L. Calçada / N. Risinger (skysurvey.org)

La scoperta, appena pubblicata su Nature in un articolo di vari autori con primo firmatario Xavier Dumusque, un dottorando dell'Osservatorio di Ginevra e del Centro d'Astrofisica dell'Università di Porto, si deve a un gruppo di astronomi capitanato dal prof. Udry dell'Osservatorio Astronomico dell'Università di Ginevra. Il gruppo ha monitorato per quattro anni Alfa Centauri B, precisamente da febbraio 2008 a luglio 2011, usando lo spettrografo HARPS installato sul telescopio da 3,6 dell'ESO a La Silla, in Cile.

Lo scopo del monitoraggio era misurare le piccole variazioni della velocità radiale di Alfa Centauri B su un ampio periodo di tempo, così da minimizzare gli errori dovuti a fenomeni occasionali e lasciar emergere gli eventuali cicli di variazione riconducibili all'attrazione gravitazionale esercitata da un pianeta. La scelta cadde su Alfa Centauri B, non solo perché è vicinissima in termini astronomici, ma anche perché è una stella estremamente tranquilla, della quale è possibile modellare con sufficiente precisione le oscillazioni intrinseche dovute alla nornale attività stellare, separandole da possibili attrazioni planetarie.

Con una temperatura effettiva di 5214 ± 33 K, Alfa Centauri B è leggermente più fredda del Sole. È una stella di sequenza principale, appartenente al tipo spettrale K1V. La magnitudine visuale, osservata dalla Terra, è di 1,33. La massa e il raggio sono rispettivamente il 93,4% e l'86,3% di quelli del Sole. Il periodo di rotazione è di 38,7 giorni. Orbita intorno al centro di massa del sistema, insieme alla stella primaria Alfa Centauri A, in 79,91 anni.

Tutte queste conoscenze, ed altre ancora, sono state essenziali al gruppo di ricerca per sbrogliare la complicata matassa dei fattori che influenzano la velocità radiale di Alfa Centauri B misurata con HARPS. Per quanto, infatti, lo spettrografo usato sia straordinariamente sensibile, le quantità in gioco erano al limite della possibilità di discernimento e hanno richiesto un complicato trattamento matematico dei dati, per arrivare al risultato finale sperato, cioè l'identificazione di oscillazioni stellari dettate dall'attrazione di un pianeta.

Alfa Centauri e i suoi dintorni, in un'immagine in campo largo acquisita nell'ambito della Digitized Sky Survey 2. Cortesia: ESO / Digitized Sky Survey 2 / Davide De Martin

Alfa Centauri e i suoi dintorni, in un'immagine in campo largo acquisita nell'ambito della Digitized Sky Survey 2. Cortesia: ESO / Digitized Sky Survey 2 / Davide De Martin

In primo luogo, i ricercatori hanno dovuto tenere conto della soglia di errore legata allo strumento, il cui effetto globale è stato stimato in 0,7 m/s.

Il secondo fattore da neutralizzare sono stati i moti oscillatori propri della stella. Sapendo che il loro periodo tipico è minore di cinque minuti, è bastato organizzare le osservazioni con tempi di esposizione di almeno dieci minuti, per fare in modo che i segnali di questo tipo si annullassero a vicenda, riducendo la soglia di errore ad essi legata a non più di qualche centimetro per secondo.

Il terzo fattore da annullare è stata l'influenza della granulazione sulla velocità radiale:

Alfa Centauri B è una stella di tipo solare e possiede perciò una zona esterna di convezione, responsabile del tipo di granulazione che appare alla superficie. In ragione della temperatura, le celle di granulazione hanno velocità radiali positive o negative, che risultano in un segnale globale non-zero sulla velocità radiale, quando i loro contributi individuali sono integrati per tutto il disco della stella, tenuto conto della luminosità delle celle. L'effetto di granulazione introduce variazioni della velocità radiale su scale temporali che variano da quindici minuti a diverse ore.

Il peso attribuito dai modelli matematici alla granulazione sulla velocità radiale di Alfa Centauri B è stato calcolato in 0,6 m/s.

Il quarto fattore da considerare è stata poi l'influenza delle macchie stellari:

A causa della rotazione stellare e dell'effetto Doppler, un lato della stella ha una velocità radiale positiva rispetto alla media, mentre il lato opposto una velocità negativa. Tuttavia, se una macchia (più scura o più brillante della superficie stellare media) è presente su un lato della stella, il bilanciamento delle velocità sarà spezzato e si misurerà una velocità radiale residua.

Conoscendo il periodo di rotazione di Alfa Centauri B, che è di 38,7 giorni, è stato possibile, tramite l'analisi matematica delle oscillazioni legate alla rotazione della stella, riconoscere e minimizzare l'effetto sulla velocità radiale della presenza più o meno duratura di macchie stellari sulla superficie della stella rivolta verso la Terra.

Il quinto elemento da considerare è stato il clclo magnetico di Alfa Centauri B, analogo al ciclo solare. L'azione dei campi magnetici legati alle macchie stellari blocca localmente la convezione e ciò genera un'influenza sulla velocità radiale. Per neutralizzare questo effetto, i ricercatori hanno tenuto conto delle variazioni nella debole attività cromosferica della stella, considerandole correlate al ciclo magnetico e alle corrispondenti variazioni della velocità radiale.

Il sesto elemento da neutralizzare è stata l'influenza dell'orbita binaria sulla velocità radiale: anche se i dati osservativi si estendono per una frazione minima – 4 anni – del periodo orbitale completo di quasi 80 anni, tuttavia esiste un'impronta dell'orbita binaria sulla velocità radiale, la cui entità è stata stimata con un apposito trattamento matematico.

Il settimo "ingrediente" da considerare è stata la contaminazione degli spettri:

A causa della piccola separazione nel cielo tra Alfa Centauri A e B, gli spettri di B possono essere contaminati dalla luce proveniente da A, quando le condizioni di osservazione sono mediocri. È stato stimato l'effetto risultante sulle misurazioni della velocità radiale e le osservazioni problematiche sono state scartate.

L'ottavo e ultimo fattore da neutralizzare è stata l'influenza di coordinate stellari imprecise. Se la misurazione della velocità radiale è fatta in relazione al baricentro del sistema solare, deve essere eliminata l'oscillazione determinata dal moto orbitale della Terra intorno al Sole, che si manifesta nel grafico della velocità radiale come una sinusoide con un periodo di un anno. È stato inoltre necessario stimare e considerare anche l'influenza sulle coordinate stellari del moto orbitale del sistema binario costituito da Alfa Centauri A e B, gravitazionalmente legate l'una all'altra.

La posizione di Alfa Centauri nel cielo australe. Cortesia: ESO / IAU / Sky & Telescope

La posizione di Alfa Centauri nel cielo australe. Cortesia: ESO / IAU / Sky & Telescope

Come si comprende facilmente leggendo il lungo elenco di fattori che influenzano il valore misurato della velocità radiale, isolare all'interno di una simile congerie di cause le piccolissime oscillazioni dovute all'influenza gravitazionale di un pianeta di massa terrestre, come quello scoperto nel sistema di Alfa Centauri, è un compito estremamente complesso. È un po' come avere la registrazione dei suoni e delle voci di un mercato affollato e cercare di isolare all'interno del frastuono generale il debole calpestio dei passi di un bambino, con l'obiettivo di capire innanzitutto se c'è un bambino, poi quanto pesa, quanto è alto e dove sta andando... Per riuscirci, occorre creare un filtro per ogni suono. E questo, più o meno, è ciò che gli astronomi hanno fatto, analizzando le variazioni della velocità radiale di Alfa Centauri B.

Tenuto conto di tutti gli effetti appena descritti, il gruppo del prof. Udry è riuscito alla fine ad appurare che a 0,04 unità astronomiche da Alfa Centauri B orbita un pianeta la cui massa minima è uguale a 1,13 ± 0,09 masse terrestri e il cui anno dura appena 3,236 giorni.

Si parla di massa minima, perché ignoriamo quale sia l'angolo formato dal piano orbitale del pianeta rispetto al nostro punto di osservazione. Misurando la velocità radiale, possiamo conoscere solo l'entità della forza esercitata dal pianeta lungo la direzione che unisce la stella al nostro punto di osservazione, ma non possiamo sapere questa forza a quale percentuale corrisponde della trazione totale esercitata dal pianeta: un rapporto che dipende appunto dall'inclinazione (ignota) del suo piano orbitale rispetto alla nostra visuale. Maggiore è la forza totale esercitata dal pianeta, maggiore sarà la sua massa.

In ogni caso, la massa minima di 1,13 masse terrestri rende il pianeta di Alfa Centauri B il meno massiccio finora scoperto intorno a una stella di tipo solare. Potremmo saperne di più sulla sua natura, per esempio se è un pianeta roccioso, qual è il suo raggio, se ha un'atmosfera e di cosa è composta, se riuscissimo a osservarlo con il metodo del transito. Supponendo che abbia un raggio simile a quello terrestre, Dumusque e colleghi hanno stimato pari al 10% la probabilità di osservare dallo spazio un transito di questo pianeta davanti al disco di Alfa Centauri B e di un decimillesimo la riduzione della luce stellare che sarebbe causata da tale transito.

Alcuni numeri possono fornire un'idea delle quantità su cui hanno dovuto lavorare gli astronomi che hanno scoperto il nuovo pianeta. La prima misurazione della velocità radiale di Alfa Centauri B eseguita con HARPS nel 2008 ha dato come valore -22,314921 km/s (il meno indica che la distanza tra noi e la stella sta diminuendo). L'ultima misurazione, nel 2011, ha dato -22,955957 km/s. Nel corso dei quattro anni di monitoraggio, la velocità radiale è dunque aumentata complessivamente di 641 m/s. All'interno di questa variazione generale, il segnale dovuto all'attrazione esercitata sulla stella dal pianeta appena scoperto corrisponde ad appena 0,51 m/s: poco più di 50 centimetri al secondo, rilevati a una distanza di 4,3 anni luce dalla Terra!

Per confronto, il nostro pianeta induce sul Sole una variazione della velocità radiale di meno di 9 cm/s. È stato possibile scoprire il pianeta di Alfa Centauri, benché abbia massa simile a quella della Terra, solo perché è vicinissimo alla sua stella ed esercita dunque un'attrazione maggiore rispetto a quella terrestre sul Sole (la forza di gravità diminuisce col quadrato della distanza). Ciò ci induce a supporre che più lontano da Alfa Centauri B, magari proprio nella sua zona abitabile, potrebbero celarsi uno o più pianeti di tipo terrestre, dei quali per ora non possiamo sapere nulla, perché non disponiamo di strumenti tanto potenti da rilevarne i debolissimi segnali.

Con il livello di sensibilità raggiunto nella ricerca eseguita dal gruppo del prof. Udry, cioè 0,51 m/s, sarebbe però possibile scoprire delle super-Terre. Il segnale indotto dal pianeta appena trovato è infatti equivalente a quello che sarebbe stato generato da un pianeta con massa minima pari a quattro masse terrestri, lontano dalla stella tanto da avere un periodo orbitale di 200 giorni (simile cioè a quello di Venere). La strada è aperta, insomma, per esplorare le stelle più vicine alla ricerca quanto meno di super-Terre situate all'interno della zona abitabile.

I parametri del pianeta scoperto intorno ad Alfa Centauri B, ricavati dallo studio di Dumusque e colleghi. Cortesia: Nature (2012) doi:10.1038/nature11572

I parametri del pianeta scoperto intorno ad Alfa Centauri B, ricavati dallo studio di Dumusque e colleghi. Cortesia: Nature (2012) doi:10.1038/nature11572

Simulazione di un viaggio verso il sistema di Alfa Centauri. Cortesia: ESO / L. Calçada / Nick Risinger

Simulazione di un volo attraverso il sistema di Alfa Centauri. Cortesia: ESO / L. Calçada / Nick Risinger

Riferimenti

Tag: Alfa Centauri, esopianeti, velocita radiale, spettroscopia, articoli

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