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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

PH1, il primo pianeta circumbinario in un sistema di quattro stelle

02 Nov 2012 11:10 AM – Michele Diodati

Il 2 marzo 2012, Robert Gagliano, un "cacciatore di pianeti" iscritto al sito Planet Hunters, segnalò al forum del progetto il sistema binario KIC 4862625, perché aveva notato qualcosa di particolare: nelle curve di luce del secondo e del quarto trimestre di dati prodotti dal telescopio spaziale Keplero, comparivano due caratteristiche simili a transiti planetari, separate da circa 137 giorni. Il 3 marzo, un altro "cittadino scienziato", Kian Jek, sollecitato dal post di Gagliano, si procurò i dati del quinto e del sesto trimestre e trovò un terzo possibile transito nella curva di luce del quinto trimestre (lo stesso Kian Jek che aveva partecipato, nel 2011, alla scoperta di Kepler-16b, il primo pianeta circumbinario confermato).

Le segnalazioni di Gagliano e Jek dimostrano che nessun metodo automatico è per ora in grado di sopperire alla capacità di giudizio umana, almeno in un compito complesso come quello richiesto dal progetto collaborativo Planet Hunters. Nel caso specifico, si trattava di scorgere qualcosa che assomigliasse a un transito planetario all'interno di curve di luce naturalmente "incasinate", come sono quelle prodotte dalle variazioni del flusso luminoso in sistemi binari formati da stelle che si eclissano a vicenda.

I due possibili transiti planetari nel sistema binario KIC 4862625, poi confermati, scoperti dal "cittadino scienziato" Robert Gagliano il 2 marzo 2012, all'interno del progetto collaborativo Planet Hunters. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]
I due possibili transiti planetari nel sistema binario KIC 4862625, poi confermati, scoperti dal "cittadino scienziato" Robert Gagliano il 2 marzo 2012, all'interno del progetto collaborativo Planet Hunters. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

I due possibili transiti planetari nel sistema binario KIC 4862625, poi confermati, scoperti dal "cittadino scienziato" Robert Gagliano il 2 marzo 2012, all'interno del progetto collaborativo Planet Hunters. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

KIC 4862625 messo sotto la lente

Il circolo virtuoso partito da Planet Hunters mise rapidamente in moto gli astronomi professionisti, che cominciarono a scandagliare il sistema binario KIC 4862625, dispiegando tutta la potenza dei mezzi a disposizione dei grandi istituti di ricerca. A maggio 2012 il sistema fu osservato nel vicino infrarosso con le ottiche adattive del telescopio da 10 m Keck II, alla ricerca di stelle vicine che potessero aver contaminato le curve di luce prodotte dal telescopio spaziale Keplero. Da aprile ad agosto 2012 fu misurata la velocità radiale, usando lo spettrografo HIRES in combinazione con il telescopio Keck I. A luglio 2012 furono eseguite ulteriori misurazioni della contaminazione luminosa proveniente da altre stelle, grazie al telescopio robotico SARA da 1 m dell'Osservatorio di Kitt Peak. Tutti i nuovi dati così ottenuti, uniti a dati d'archivio provenienti dalla missione Keplero e dalla Two Micron All-Sky Survey, furono poi sottoposti a un complicato trattamento statistico-matematico, con lo scopo di ottenere la migliore approssimazione possibile dei parametri stellari e planetari del sistema KIC 4862625.

Il risultato finale di tutto questo lavoro è uno studio ("Planet Hunters: A Transiting Circumbinary Planet in a Quadruple Star System") pubblicato il 15 ottobre 2012 in pre-stampa su arXiv.org e in attesa di pubblicazione su The Astrophysical Journal. Prima autrice è una ricercatrice post-dottorato dell'Università di Yale, Megan Schwamb. E a Yale appartengono anche altri tra i numerosi autori dell'articolo. Doverosamente, poi, figurano tra gli autori anche i due senza affiliazioni universitarie, Robert Gagliano e Kian Jek, al cui spirito di osservazione si deve se la scienza ufficiale ha deciso di trarre il sistema KIC 4862625 fuori dall'oscurità.

Immagine di KIC 4862625 ottenuta con le ottiche adattive del telescopio Keck II. L'oggetto più debole situato a 0,7 secondi d'arco in direzione sudest si è rivelato essere un secondo sistema binario, legato gravitazionalmente al primo, sia pure in modo debole. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

Immagine di KIC 4862625 ottenuta con le ottiche adattive del telescopio Keck II. L'oggetto più debole situato a 0,7 secondi d'arco in direzione sudest si è rivelato essere un secondo sistema binario, legato gravitazionalmente al primo, sia pure in modo debole. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

Le caratteristiche del primo sistema binario

La campagna di ricerca a tappeto condotta dal team della Schwamb ha infine prodotto i suoi frutti. In primo luogo, ha confermato le segnalazioni di Gagliano e Jek: sì, quelli erano proprio transiti planerari e intorno a quel sistema binario orbita davvero un pianeta, prima ignoto alla scienza. In secondo luogo, ha permesso di ricavare una mole impressionante di informazioni sul sistema KIC 4862625, pur con gli inevitabili margini di errore dovuti ai limiti degli strumenti e dei dati disponibili (è incredibile quante cose si riescano a capire analizzando le curve di luce e gli spettri stellari).

Partiamo dalle due stelle al centro del sistema, che i ricercatori hanno indicato con le sigle Aa e Ab. La primaria, Aa, ha le caratteristiche di una stella di classe F. È più grande, più massiccia e più calda del Sole: il raggio è 1,734 ± 0,044 raggi solari (circa 1,2 milioni di km), la massa 1,528 ± 0,087 masse solari, la temperatura effettiva 6.407 ± 150 Kelvin. La secondaria, circa 700 volte meno luminosa della primaria, sembra essere una nana rossa di classe M, i cui parametri sono: raggio 0,378 ± 0,023 raggi solari (circa 263.000 km), massa 0,408 ± 0,024 masse solari, temperatura effettiva 3.561 ± 150 Kelvin. L'orbita binaria è moderatamente eccentrica, con e = 0,24181. La separazione tra le due stelle non è tra i dati riportati nello studio, ma deve essere una frazione di unità astronomica, considerando che il periodo orbitale è risultato di 20 giorni esatti più qualche secondo.

L'analisi delle oscillazioni di luminosità della stella primaria, legate probabilmente a cicli di macchie stellari, ha permesso di stabilire che Aa, con un possibile periodo di rotazione di 15,5 giorni, non è gravitazionalmente bloccata in orbita sincrona dalla vicina compagna. Ciò depone a favore dell'ipotesi che si tratti di un sistema stellare piuttosto giovane, per il quale gli autori propongono un'età intorno a 2 miliardi di anni. La distanza dalla Terra è stata infine stimata in circa 1.500 parsec, pari a poco meno di 5.000 anni luce.

Immagine di KIC 4862625 ottenuta con il telescopio SARA. Il cerchio più interno ha un raggio di 6 secondi d'arco, quello più esterno di 10. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

Immagine di KIC 4862625 ottenuta con il telescopio SARA. Il cerchio più interno ha un raggio di 6 secondi d'arco, quello più esterno di 10. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

Scoperta e parametri del secondo sistema binario

Per determinare con precisione le caratteristiche del pianeta in orbita intorno al sistema binario era intanto necessario quantificare la misura esatta della contaminazione luminosa delle curve di luce di Keplero da parte di sorgenti stellari vicine. Ciò fu fatto per mezzo delle osservazioni eseguite con i telescopi Keck e SARA. Dall'analisi dei dati emerse che a 0,7 secondi a sudest del sistema binario Aa e Ab si trova una coppia di stelle circa cinque volte più fioca della coppia principale. Questa seconda coppia, i cui membri furono denominati Ba e Bb, contribuiva alla luce rilevata da Keplero per una percentuale di 10,5 ± 2,5%. Inoltre, un'altra stella situata a 3 secondi di distanza contaminava il campo osservato da Keplero per un ulteriore 1%.

Le osservazioni spettroscopiche mostrarono poi che la coppia Ba-Bb aveva la medesima velocità radiale della coppia Aa-Ab: ciò prova che le quattro stelle sono gravitazionalmente legate, formando un unico sistema stellare. La distanza di Ba e Bb dal sistema binario principale Aa e Ab è stata stimata in circa 1.000 unità astronomiche e la separazione tra Ba e Bb intorno alle 60 unità astronomiche (più o meno il doppio della distanza tra Nettuno e il Sole). La primaria del secondo sistema binario sembra essere una gemella del Sole, con una massa di 0,99 masse solari e caratteristiche spettrali corrispondenti alla classe G2, la stessa del Sole. La secondaria appare invece come una stella di classe M2, con una massa di circa 0,51 masse solari.

La notevole distanza del secondo sistema binario dal primo sembra escludere la possibilità che in origine le quattro stelle abbiano avuto incontri ravvicinati, anche perché, se ciò fosse avvenuto, il disco protoplanetario da cui si è formato il pianeta scoperto intorno al primo sistema binario sarebbe stato sconvolto o disperso, rendendo probabilmente impossibile la formazione di qualsivoglia pianeta.

Rappresentazione artistica del probabile gigante gassoso PH1. Sono visibili in distanza le due stelle intorno alle quali orbita. Cortesia: Haven Giguere / Yale

Rappresentazione artistica del probabile gigante gassoso PH1. Sono visibili in distanza le due stelle intorno alle quali orbita. Cortesia: Haven Giguere / Yale

PH1, il pianeta circumbinario

La sigla PH1 con cui il pianeta è stato battezzato indica che è il primo esopianeta scientificamente confermato, la cui scoperta si deve al contributo degli utenti del progetto Planet Hunters. PH1 è inoltre il settimo pianeta circumbinario confermato con il metodo del transito (dopo Kepler-16b, Kepler- 34b, Kepler-35b, Kepler-38b, Kepler-47a e Kepler-47b) e il primo in assoluto in un sistema di quattro stelle.

I calcoli basati sul complesso di dati accumulati dai ricercatori indicano che il pianeta ha un raggio di 6,18 ± 0,17 raggi terrestri, pari a 39.400 ± 1.000 km. Come dimensioni è dunque una via di mezzo tra Saturno e Urano (o Nettuno). È quindi con molta probabilità un gigante gassoso. Poiché la sua presenza non perturba il moto orbitale delle due stelle intorno a cui gira, è possibile stabilire soltanto un limite superiore alla sua massa. Con un livello di confidenza del 99,7%, tale limite è stato fissato in 169 masse terrestri o, il che è lo stesso, 0,531 masse gioviane. Ciò significa semplicemente che il pianeta non può essere più massiccio di così, altrimenti si registrerebbe l'effetto della sua attrazione sul moto delle due stelle. La sua massa può essere però inferiore e molto probabilmente lo è. Gli autori dello studio stimano che l'intervallo di masse più ragionevole in rapporto alle dimensioni di PH1 sia tra 20 e 50 masse terrestri (0,08 – 0,14 masse gioviane).

Il pianeta ha un periodo orbitale di 138,317 giorni e un semiasse maggiore dell'orbita di 0,652 unità astronomiche, pari a una distanza di 97,5 milioni di km dal centro di massa del sistema (poco meno della distanza di Venere dal Sole). Le analisi matematiche indicano che il periodo e il raggio orbitali sono rispettivamente del 29% e del 18,6% maggiori rispetto ai limiti, al di sotto dei quali l'attrazione delle due stelle renderebbe l'orbita del pianeta instabile. I calcoli indicano anche che il sistema formato da Aa, Ab e PH1 è stabile nell'arco dei miliardi di anni, data come trascurabile l'influenza gravitazionale dell'altro e più distante sistema binario.

Quanto, infine, all'abitabilità, le notizie non sono buone. Facendo qualche assunzione sull'albedo (posta simile a quella di Nettuno) e sull'emissività, si ottiene per PH1 una temperatura minima di 524 K e una massima di 613 K: troppo caldo per essere nella zona abitabile. Se anche avesse delle lune rocciose, la radiazione combinata dei due soli renderebbe impossibile la presenza di acqua liquida alla loro superficie.

Rappresentazione artistica del sistema KIC 4862625. In primo piano è mostrato il pianeta PH1 in transito davanti alla stella primaria Aa, con la secondaria Ab visibile in alto a sinistra. Più distante si scorge il secondo sistema binario, formato da una stella di tipo solare e da una più piccola di classe M. Cortesia: Haven Giguere / Yale

Rappresentazione artistica del sistema KIC 4862625. In primo piano è mostrato il pianeta PH1 in transito davanti alla stella primaria Aa, con la secondaria Ab visibile in alto a sinistra. Più distante si scorge il secondo sistema binario, formato da una stella di tipo solare e da una più piccola di classe M. Cortesia: Haven Giguere / Yale

La configurazione orbitale del sistema KIC 4862625. PH1 è indicato con la lettera 'b'. I sette transiti finora registrati sono stati tutti sul disco della stella primaria Aa. Sono possibili anche transiti sul disco della secondaria Ab, ma solo in prossimità delle quadrature, il che li rende eventi rari. Il piano orbitale di PH1 è inclinato di 2,619 ± 0,057 gradi rispetto al piano orbitale del sistema binario. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

La configurazione orbitale del sistema KIC 4862625. PH1 è indicato con la lettera 'b'. I sette transiti finora registrati sono stati tutti sul disco della stella primaria Aa. Sono possibili anche transiti sul disco della secondaria Ab, ma solo in prossimità delle quadrature, il che li rende eventi rari. Il piano orbitale di PH1 è inclinato di 2,619 ± 0,057 gradi rispetto al piano orbitale del sistema binario. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

I parametri stellari e planetari finali, ottenuti dal team di ricercatori guidato da Megan Schwamb. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

I parametri stellari e planetari finali, ottenuti dal team di ricercatori guidato da Megan Schwamb. Cortesia: arXiv:1210.3612v1 [astro-ph.EP]

Riferimenti

Tag: PH1, telescopio spaziale keplero, esopianeti, Planet Hunters, osservatorio keck, pianeti circumbinari, sistemi binari, sistemi multipli, articoli

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