Una generazione fa, l'idea di un pianeta in orbita attorno a una stella lontana era ancora nel regno della fantascienza. Ma dalla scoperta del primo esopianeta nel 1988, ne abbiamo trovati centinaia, con le scoperte che hanno avuto un ritmo più veloce nel tempo.
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Il mese scorso, in un singolo annuncio, gli astronomi della NASA hanno rivelato la scoperta di 715 pianeti precedentemente sconosciuti nei dati raccolti dal Kepler Space Telescope, portando il numero totale di esopianeti noti al 1771. All'interno di questo ci sono tutti i tipi di esopianeti: alcuni che orbitano attorno a due stelle, alcuni pieni d'acqua, altri più o meno delle dimensioni della Terra e altri due volte più grandi di Giove.
Ma la stragrande maggioranza di tutti questi pianeti distanti ha una cosa in comune: con poche eccezioni, sono troppo lontani per essere visti, anche con i nostri telescopi più potenti. In tal caso, come fanno gli astronomi a sapere che sono lì?
Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno sviluppato una varietà di tecniche per individuare i molti pianeti al di fuori del nostro sistema solare, spesso usati in combinazione per confermare la scoperta iniziale e conoscere meglio le caratteristiche del pianeta. Ecco una spiegazione dei principali metodi utilizzati finora.
Transito
Immagina di guardare un piccolo pianeta in orbita attorno a una stella molto, molto lontano. Occasionalmente, il pianeta potrebbe passare tra te e la sua stella, bloccando brevemente parte della luce delle stelle. Se questo oscuramento si verifica con una frequenza sufficiente, potresti essere in grado di inferire la presenza del pianeta, anche se non riesci a vederlo.
(Immagine via Wikimedia Commons / Nikola Smolenski) Questo, in sostanza, è il metodo di transito per rilevare gli esopianeti, finora responsabili della maggior parte delle nostre scoperte sugli esopianeti. Naturalmente, per le stelle distanti, non è possibile che l'occhio umano nudo sia in grado di rilevare in modo affidabile un oscuramento della quantità di luce che vediamo, quindi gli scienziati fanno affidamento su telescopi (in particolare, il telescopio spaziale Kepler) e altri strumenti per raccogliere e analizzare questi dati.
Quindi, per un astronomo, "vedere" un esopianeta distante tramite il metodo di transito generalmente finisce per assomigliare a questo:
La quantità di luce proveniente da una stella lontana, rappresentata graficamente, si tuffa mentre un pianeta transita tra lui e noi. (Immagine via Wikimedia Commons / Сам посчитал) In alcuni casi, la quantità di oscuramento causata dal pianeta che passa tra la sua stella e noi può anche dire agli astronomi una stima approssimativa delle dimensioni del pianeta. Se conosciamo la dimensione di una stella e la distanza del pianeta da essa (quest'ultima determinata da un altro metodo di rilevazione, velocità radiale, più in basso in questo elenco) e osserviamo che il pianeta blocca una certa percentuale della luce della stella, possiamo calcola il raggio del pianeta basandosi esclusivamente su questi valori.
Vi sono, tuttavia, svantaggi per il metodo di transito. Un pianeta deve essere allineato correttamente per passare tra noi e la sua stella, e più lontano orbita, minore è la possibilità di questo allineamento. I calcoli indicano che per un pianeta delle dimensioni di una Terra che orbita attorno alla sua stella alla stessa distanza in cui orbitiamo attorno alla nostra (circa 93 milioni di miglia), c'è solo una probabilità dello 0, 47 percento che sia allineato correttamente per causare oscuramento.
Il metodo può anche portare a un numero elevato di falsi positivi: episodi di oscuramento che identifichiamo come pianeti in transito ma che alla fine sono causati da qualcos'altro. Uno studio ha scoperto che ben il 35 percento dei pianeti grandi e in stretta orbita identificati nei dati di Keplero potrebbe in realtà essere inesistente e l'oscuramento attribuito alla polvere o altre sostanze situate tra noi e la stella. Nella maggior parte dei casi, gli astronomi tentano di confermare i pianeti trovati tramite questo metodo con altri metodi in questo elenco.
Luminosità orbitale
In alcuni casi, un pianeta in orbita attorno alla sua stella fa aumentare la quantità di luce che raggiunge la Terra, anziché immergersi. In genere, si tratta di casi in cui il pianeta orbita molto da vicino, in modo che sia riscaldato nella misura in cui emette quantità rilevabili di radiazione termica.
Sebbene non siamo in grado di distinguere questa radiazione da quella della stella stessa, un pianeta in orbita nel giusto allineamento ci sarà esposto in una sequenza regolare di stadi (simile alle fasi della luna), così regolare, periodico gli aumenti della quantità di luce che i telescopi spaziali ricevono da queste stelle possono essere usati per inferire la presenza di un pianeta.
Simile al metodo di transito, è più facile rilevare pianeti di grandi dimensioni in orbita vicino alle loro stelle con questa tecnica. Sebbene finora solo una manciata di pianeti sia stata scoperta usando solo questo metodo, potrebbe finire per essere il metodo più produttivo a lungo termine, perché non richiede che un esopianeta passi direttamente tra noi e la stella per consentirci di rilevare esso, aprendo una gamma molto più ampia di possibili scoperte.
Velocità radiale
Nella scuola elementare, ci viene insegnato che un sistema solare è una stella stazionaria circondata da pianeti, asteroidi e altri detriti che orbitano lentamente. La verità, tuttavia, è leggermente più complicata: a causa dell'attrazione gravitazionale dei pianeti, anche la stella oscilla leggermente dal baricentro del sistema:
(Immagine via Wikimedia Commons / Zhatt) Il fenomeno va in questo modo: un grande pianeta, se ha abbastanza massa, potrebbe essere in grado di tirare la stella verso di essa, facendo sì che la stella si muova dall'essere il centro esatto del sistema solare lontano. Quindi si possono usare spostamenti periodici, prevedibili eppure ancora minuscoli nella posizione della stella per inferire la presenza di un grande pianeta vicino a quella stella.
Gli astronomi hanno approfittato di questo fenomeno per rilevare centinaia di esopianeti. Fino a poco tempo fa, quando era superato dal transito, questo metodo (chiamato velocità radiale) era responsabile della maggior parte degli esopianeti scoperti.
Potrebbe sembrare difficile misurare lievi movimenti nelle stelle a centinaia di anni luce di distanza, ma si scopre che gli astronomi possono rilevare quando una stella accelera verso (o lontano dalla) Terra a velocità di un metro al secondo a causa dell'effetto Doppler.
L'effetto è il fenomeno delle onde (che siano suono, luce visibile o altre forme di energia elettromagnetica) che sembrano avere una frequenza leggermente più alta quando l'oggetto che le emette si muove verso un osservatore e leggermente più basso quando si allontana. Hai sperimentato in prima persona se hai mai sentito l'alto gemito di una sirena di ambulanza in avvicinamento sostituita con un tono leggermente più basso mentre si allontana.
Sostituisci l'ambulanza con una stella lontana e il suono di una sirena con la luce che emette, e hai praticamente avuto l'idea. Usando gli spettrometri, che misurano le particolari frequenze di luce emesse da una stella, gli astronomi possono cercare cambiamenti apparenti, indicando che la stella si sta avvicinando leggermente a noi o si sta allontanando leggermente.
Il grado di movimento può persino riflettere la massa del pianeta. Se combinato con il raggio del pianeta (calcolato con il metodo di transito), ciò può consentire agli scienziati di determinare la densità del pianeta e quindi la sua composizione (se si tratta di un gigante gassoso o di un pianeta roccioso, per esempio).
Questo metodo è anche soggetto a limitazioni: è molto più facile trovare un pianeta più grande in orbita attorno a una stella più piccola, perché un tale pianeta ha un impatto maggiore sul movimento della stella. Pianeti relativamente piccoli, delle dimensioni della Terra, sarebbero probabilmente difficili da rilevare, specialmente a grandi distanze.
Imaging diretto
In alcuni rari casi, gli astronomi sono stati in grado di trovare esopianeti nel modo più semplice possibile: vedendoli.
Tre pianeti enormi - probabilmente più grandi di Giove - sono stati ripresi direttamente in orbita attorno alla stella HR8799 nel 2010. (La stella stessa è bloccata da un coronagraph. (Immagine via NASA / JPL-Caltech / Osservatorio Palomar) Questi casi sono così rari per alcuni motivi. Per poter distinguere un pianeta dalla sua stella, deve essere relativamente lontano da esso (è facile immaginare che Mercurio, per esempio, sarebbe indistinguibile dal Sole da molto lontano). Ma se un pianeta è troppo lontano dalla sua stella, non rifletterà abbastanza della luce della stella per essere visibile affatto.
Gli esopianeti che possono essere visti in modo più affidabile dai telescopi sono grandi (come Giove) e molto caldi, in modo da emettere la propria radiazione infrarossa, che può essere rilevata dai telescopi e utilizzata per distinguerli dalle loro stelle. I pianeti che orbitano attorno a nani bruni (oggetti che non sono classificati tecnicamente come stelle, perché non sono abbastanza caldi o abbastanza grandi da generare reazioni di fusione e quindi emettono poca luce) possono anche essere rilevati più facilmente.
L'imaging diretto è stato anche utilizzato per rilevare alcuni pianeti canaglia particolarmente imponenti, quelli che fluttuano liberamente nello spazio, anziché orbitando attorno a una stella.
Lente gravitazionale
Tutti i metodi precedenti in questo elenco hanno un senso per un non scienziato a un livello intuitivo. La lente gravitazionale, utilizzata per scoprire una manciata di esopianeti, richiede un pensiero più astratto.
Immagina una stella molto lontana e un'altra a metà strada tra essa e la Terra. In rari momenti, le due stelle potrebbero quasi allinearsi, quasi sovrapponendosi nel cielo notturno. Quando ciò accade, la forza della gravità della stella più vicina si comporta come una lente, ingrandendo la luce in arrivo dalla stella lontana mentre passa vicino ad essa per raggiungerci.
Una simulazione dell'obiettivo gravitazionale, che mostra la luce proveniente da una galassia lontana che viene brevemente ingrandita da un buco nero nella terra di mezzo. (Immagine tramite Urbane Legend) Se una stella che ha un pianeta in orbita vicina funge da lente gravitazionale, il campo gravitazionale di quel pianeta può aggiungere un contributo lieve ma rilevabile all'evento di ingrandimento. Pertanto, in alcuni rari casi, gli astronomi sono stati in grado di dedurre la presenza di pianeti distanti dal modo in cui ingrandiscono la luce di stelle ancora più distanti.
Un grafico delle scoperte di esopianeti per anno, con metodo di rilevazione rappresentato dal colore. Verde = transito, blu = velocità radiale, rosso = imaging diretto, arancione = lente gravitazionale. (Immagine via Wikimedia Commons / Aldaron)
