Memoria dello Spazio

Usando il telescopio giapponese Subaru insieme con una serie di sofisticati strumenti hardware e software, un gruppo di ricercatori ha ottenuto l'immagine diretta di un pianeta gigante da 12,8 masse gioviane in orbita intorno a Kappa Andromedae, finora una delle stelle più massicce presso le quali siano stati scoperti esopianeti.

Kappa Andromedae

Kappa Andromedae è una stella di tipo spettrale B9IV. La classe di luminosità IV indica che si tratta di una subgigante, cioè di una stella giunta al termine della fase in cui brucia l'idrogeno nel nucleo. Si trova pertanto ora in uno stato di transizione, in cui non è più sulla sequenza principale, ma non è ancora una gigante a tutti gli effetti. Questa fase interlocutoria può durare molto, molto a lungo, sicché le subgiganti sono bersagli invitanti anche per la ricerca di esopianeti in grado di sostenere la vita.

Visibile anche a occhio nudo nei cieli dell'emisfero settentrionale, Kappa Andromedae ha una magnitudine apparente di 4,6 e una magnitudine assoluta di 1,0, da cui si ricava una luminosità circa 35 volte maggiore del Sole. La massa è compresa tra 2,4 e 2,5 masse solari. La temperatura effettiva è 11.400 K secondo alcuni autori, 10.700 K secondo altri: più o meno il doppio della temperatura della fotosfera solare.

È una stella piuttosto vicina in termini astronomici. Il satellite astrometrico Hipparcos ne misurò l'angolo di parallasse, trovandolo pari a 19,37 ± 0,19 milliarcosecondi, il che corrisponde a una distanza di circa 51,6 parsec o 168 anni luce. Il moto proprio è stato misurato in 83,5 milliarcosecondi annui. L'analisi cinematica implica una probabilità maggiore del 95% che Kappa Andromedae faccia parte dell'associazione stellare Colomba, un gruppo di stelle che si muovono insieme seguendo uno schema di direzioni e velocità comune. L'appartenenza a questo gruppo fissa l'età di Kappa Andromedae a 30 milioni di anni, con un'incertezza di 20 milioni in più e 10 milioni in meno: è in ogni caso una stella giovanissima rispetto al Sole.

Riprendere immagini dirette di esopianeti

Una tendenza supportata dai dati che si vanno via via accumulando è che la massa di una stella è proporzionale a quella dei pianeti scoperti intorno ad essa: più una stella è massiccia, più è probabile scoprire che è orbitata da pianeti giganti. Ciò si spiega bene teoricamente, per il fatto che una stella massiccia non può che emergere da un disco protoplanetario di massa elevata, nel quale è ovviamente più probabile che si formino pianeti giganti. La teoria però incontra un limite nel fatto che una stella massiccia, una volta che si è accesa, bombarda il suo disco protoplanetario con fiumi di radiazione ultravioletta, favorendo la rapida fotoevaporazione del disco medesimo. Qual è allora il limite di massa stellare oltre il quale la disgregazione del disco protoplanetario impedirebbe la formazione di pianeti giganti?

Con l'idea di trovare indicazioni intorno a questo limite, un gruppo di ricercatori guidato da Joseph Carson, un assistente professore del dipartimento di fisica e astronomia del College of Charleston, ha osservato Kappa Andromedae alla ricerca di esopianeti giganti. La ricerca si è svolta nell'ambito del programma SEEDS ("Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru"), che, partito nel 2009, usa il telescopio giapponese Subaru da 8,2 metri, situato sulla vetta del Mauna Kea alle Hawaii, per ottenere immagini dirette di esopianeti.

Il difficilissimo compito di registrare la debole luce di un pianeta, senza che scompaia nel bagliore abbagliante della sua stella, fino a oltre un miliardo di volte più intenso, è affidato a una serie di sofisticati strumenti che lavorano insieme al telescopio: il sistema di ottiche adattive AO188 per ridurre al minimo le distorsioni provocate dall'atmosfera terrestre, la camera a infrarossi HiCIAO ("High-Contrast Coronographic Imager for Adaptive Optics"), dotata di un coronografo usato per mascherare la stella osservata, la fotocamera e spettrografo IRCS ("Infrared Camera and Spectrograph").

Usando questa batteria di strumenti, il gruppo guidato da Joseph Carson ha osservato Kappa Andromedae a gennaio e a luglio 2012. Le immagini della stella sono state acquisite con una tecnica chiamata Angular Differential Imaging, più brevemente ADI, che consiste nel disaccoppiare il moto azimutale dello specchio primario del telescopio, che ruota per inseguire la stella-bersaglio nel corso della notte così da compensare la rotazione terrestre, rispetto alla posizione mantenuta dallo specchio secondario. Questa tecnica fa sì che la maggior parte delle aberrazioni luminose che penalizzano le immagini della stella (la diffrazione causata dai supporti che reggono lo specchio secondario, le turbolenze dell'atmosfera, le lente variazioni dovute all'influenza della gravità e della temperatura sulla struttura del telescopio) rimangano più o meno fisse in ciascuna immagine acquisita nel corso della notte. Ciò che varia, invece, è l'orientamento del campo osservato e, di conseguenza, la posizione degli eventuali esopianeti fotografati, che si spostano da un'immagine all'altra descrivendo una curva. Alla fine, usando delle sofisticate tecniche software, dalle immagini vengono eliminate le rotazioni del campo di vista e, nei limiti del possibile, viene sottratta tutta la luce parassita prodotta dalle varie aberrazioni presenti. Il risultato finale di questa complessa lavorazione è, se si è fortunati, l'immagine diretta di uno o più esopianeti in orbita intorno alla loro stella.

Il super-Giove Kappa Andromedae b

Usando gli strumenti e la tecnica sopra descritti, il gruppo di Carson ha ottenuto a gennaio e luglio 2012 immagini chiarissime di un pianeta gigante in orbita intorno a Kappa Andromedae. Il moto proprio dell'oggetto, calcolato misurando le differenze di posizione tra le osservazioni di gennaio e quelle di luglio, è risultato pienamente compatibile con quello della stella, il che dimostra che i due corpi si muovono insieme, vincolati dalla mutua attrazione gravitazionale.

La separazione visuale tra stella e pianeta è di 1,058 ± 0,007 secondi d'arco, che, alla distanza stimata di Kappa Andromedae, corrispondono a 55 ± 2 unità astronomiche, ovvero poco meno del doppio del raggio dell'orbita di Nettuno. Tuttavia questa è la separazione proiettata rispetto al nostro punto di vista. Non conoscendo l'inclinazione dell'orbita di Kappa Andromedae b rispetto alla direttrice lungo la quale guardiamo il sistema, non possiamo sapere quale sia la distanza effettiva tra il pianeta e la stella. I modelli teorici applicati ai dati acquisiti a gennaio 2012 suggeriscono un semiasse maggiore dell'orbita di 61 unità astronomiche, con un'incertezza di 50 in più e 20 in meno: un'oscillazione che è evidentemente troppo ampia per fornire più che un'indicazione di massima circa la reale separazione tra i due oggetti.

Usando la magnitudine apparente di 15,2 ± 0,2 misurata a luglio 2012 nella banda H dell'infrarosso, insieme con l'età stimata di 30 milioni di anni e l'angolo di parallasse noto di 19,2 ± 0,7 milliarcosecondi, sono stati applicati a Kappa Andromedae b una serie di modelli teorici evolutivi per stimarne la massa e la temperatura. I migliori dati ottenuti indicano una massa di 12,8 masse gioviane (con un'incertezza di +2 e -1) e una temperatura di 1680 K, corrispondente al tipo spettrale di una nana di classe L2–L8. L'affidabilità di queste stime è confermata dalle predizioni per la magnitudine in altre bande fotometriche, derivata dalla temperatura di 1680 K e dai modelli evolutivi adoperati, che corrisponde con buona approssimazione alle magnitudini effettivamente misurate in quelle bande.

Così come era accaduto per il pianeta solitario CFBDSIR2149, sorge anche per Kappa Andromedae b un problema di definizione: è un pianeta gigante o una nana bruna? In base alla definizione della IAU, che pone il confine a 13 masse gioviane, Kappa Andromedae B, con le sue 12,8 masse gioviane, cade appena sotto il limite inferiore che rende possibile il bruciamento del deuterio ed è dunque un pianeta. Tuttavia, non solo la stima della massa non è del tutto certa (altri modelli suggeriscono masse maggiori), ma resta in ogni caso possibile, date le giuste condizioni fisiche di partenza, che le condizioni per la fusione del deuterio si siano invece verificate, il che assimilerebbe Kappa Andromedae b a una nana bruna. D'altra parte, l'oggetto potrebbe comunque essersi formato come un pianeta, cioè dal disco protoplanetario che circonda la stella madre.

Date queste persistenti ambiguità, il gruppo di Carson ha proposto un nuovo schema di classificazione:

Lo studio che descrive la scoperta di Kappa Andromedae b è stato pubblicato in pre-stampa il 15 novembre 2012 su arXiv.org, in attesa di essere pubblicato in forma definitiva su Astrophysical Journal Letters.

Riferimenti