Come si misura il peso di un esopianeta neonato?

La massa di un esopianeta molto giovane è stata rivelata per la prima volta utilizzando i dati della navicella spaziale stellare dell’ESA Gaia e del suo predecessore, il satellite Hipparcos in pensione ormai da un quarto di secolo.

Gli astronomi Ignas Snellen e Anthony Brown dell’università di Leiden, in Olanda, hanno dedotto la massa del pianeta Beta Pictoris b dal movimento della sua stella ospite per un lungo periodo di tempo, catturato sia da Gaia che da Ipparco.

Un pianeta simile a Giove

Il pianeta è un gigante gassoso simile a Giove ma, secondo la nuova stima, è da 9 a 13 volte più massiccio. Orbita attorno alla stella Beta Pictoris, la seconda stella più luminosa della costellazione di Pictor.

Il pianeta è stato scoperto solo nel 2008 in immagini catturate dal Very Large Telescope presso l’European Southern Observatory in Chile. Sia il pianeta che la stella hanno solo circa 20 milioni di anni. Sono quindi circa 225 volte più giovani del Sistema Solare. La sua giovane età rende il sistema intrigante ma anche difficile da studiare utilizzando metodi convenzionali.

“Nel sistema Beta Pictoris, il pianeta si è appena formato”, dice Ignas. “Quindi possiamo avere un’idea di come si formano i pianeti e come si comportano nelle prime fasi della loro evoluzione. D’altra parte, la stella è molto calda, ruota velocemente e pulsa “.

Questo comportamento rende difficile per gli astronomi misurare con precisione la velocità radiale della stella, la velocità con cui sembra muoversi periodicamente verso e allontanandosi dalla Terra. Piccoli cambiamenti nella velocità radiale di una stella, causati dalla forza gravitazionale dei pianeti nelle sue vicinanze, sono comunemente usati per stimare le masse degli esopianeti. Questo metodo funziona però principalmente per i sistemi che hanno già attraversato le prime fasi ardenti della loro evoluzione.

Nel caso di Beta Pictoris b, i limiti superiori dell’intervallo di massa del pianeta erano stati calcolati prima dell’uso del metodo della velocità radiale. Per ottenere una stima migliore, gli astronomi hanno utilizzato un metodo diverso, sfruttando le misurazioni di Ipparco e Gaia, che rivelano la posizione e il movimento precisi della stella ospite del pianeta nel cielo nel tempo.

Misure astrometriche per rilevare gli esopianeti

“La stella si muove per diversi motivi”, dice Ignas. “In primo luogo, la stella gira intorno al centro della Via Lattea, proprio come fa il Sole. Questo appare dalla Terra come un movimento lineare proiettato nel cielo. La chiamiamo moto appropriato. E poi c’è l’effetto di parallasse, che è causato dalla Terra che orbita attorno al Sole. Per questo motivo, nel corso dell’anno, vediamo la stella da angoli leggermente diversi.”

Astronomers can measure the mass of exoplanets by looking at tiny deviations in the trajectories of their host stars caused by the gravitational pull of the orbiting planets. These can be observed either along the line of sight, looking for small changes in a star’s radial velocity, or on the plane of the sky, using astrometric measurements. To be able to make accurate assessments, the astrometric observations need to cover a period of many years. In this picture, the white dashed spiral shows the evolution of a star’s trajectory observable from the Earth, caused by the combination of parallax and proper motion. The brown band shows the range of deviations of the star’s trajectory caused by a possible planet orbiting it. Copyright: ESA

E poi c’è qualcosa che gli astronomi descrivono come “piccole oscillazioni” nella traiettoria della stella attraverso il cielo. Si tratta di minuscole deviazioni dal corso previsto causato dall’attrazione gravitazionale del pianeta nell’orbita della stella. Questa è la stessa oscillazione che può essere misurata attraverso i cambiamenti della velocità radiale, ma lungo una direzione diversa. Sul piano del cielo, piuttosto che lungo la linea di vista.

“Stiamo osservando la deviazione da ciò che ti aspetti se non ci fosse un pianeta e quindi misuriamo la massa del pianeta dal significato di questa deviazione”, dice Anthony. “Più massiccio è il pianeta, più significativa è la deviazione”.

Per essere in grado di fare una valutazione del genere, gli astronomi devono osservare la traiettoria della stella per un lungo periodo di tempo per comprendere correttamente il movimento corretto e l’effetto di parallasse.

La missione Gaia

La missione Gaia, progettata per osservare più di un miliardo di stelle nella nostra galassia, alla fine sarà in grado di fornire informazioni su una grande quantità di esopianeti. Nei 22 mesi di osservazioni inclusi nel secondo rilascio di dati di Gaia, pubblicato ad aprile, il satellite ha registrato la stella Beta Pictoris una trentina di volte. Questo, tuttavia, non è ancora abbastanza.

“Gaia troverà migliaia di esopianeti, il che è ancora nella nostra lista delle cose da fare”, dice Timo Prusti, scienziato del progetto Gaia dell’ESA. “Il motivo per cui gli esopianeti possono essere attesi solo più avanti nella missione è il fatto che per misurare la piccola oscillazione provocata dagli esopianeti, dobbiamo tracciare la posizione delle stelle per diversi anni”.

Combinando le misurazioni Gaia con quelle della missione Hipparcos dell’ESA, che ha osservato il Beta Pictoris 111 volte tra il 1990 e il 1993, ha permesso a Ignas e Anthony di ottenere i loro risultati molto più velocemente. Ciò ha portato alla prima stima di successo della massa di un pianeta giovane usando misure astrometriche.

“Combinando i dati di Hipparcos e Gaia, che hanno una differenza di tempo di circa 25 anni, si ottiene un movimento proprio a lungo termine”, dice Anthony.

“Questo movimento corretto contiene anche la componente causata dal pianeta orbitante. Hipparcos da solo non sarebbe stato in grado di trovare questo pianeta perché sembrerebbe una stella singola perfettamente normale a meno che non lo avessimo misurato per un tempo molto più lungo.

“Ora, combinando Gaia e Hipparcos e osservando la differenza a lungo termine e il movimento corretto a breve termine, possiamo vedere l’effetto del pianeta sulla stella”.

Questo risultato rappresenta un passo importante verso una migliore comprensione dei processi coinvolti nella formazione dei pianeti. Anticipa inoltre la scoperta di esopianeti che saranno possibili grazie ai futuri dati di Gaia.

 

 

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