6 ottobre 1995: ma guarda un po’ cosa c’è dalle parti di Stella 51 Pegasi

    Vent’anni di pianeti extrasolari: una «scor-data» spaziale di Andrea Bernagozzi (*)

1. Contesto storico

L’esistenza di altri mondi nell’universo è un’idea che è stata affrontata dai più grandi pensatori dell’umanità di ogni civiltà e in ogni tempo, anche millenni or sono: si pensi al filosofo atomista dell’antica Grecia Democrito, vissuto tra il III e il IV secolo prima di Cristo. Ma è solo dal 1992, con la scoperta di un sistema di pianeti attorno alla pulsar PSR B1257+12¹, che si ha la certezza scientifica dell’esistenza concreta di pianeti fuori dal Sistema Solare. Per questo motivo sono detti pianeti extrasolari, cioè pianeti in orbita attorno a stelle diverse dal Sole, in breve esopianeti.

Le pulsar sono ciò che resta della morte di una stella più massiccia del Sole, che si è spenta al termine della sua esistenza con una gigantesca esplosione detta supernova. Una pulsar è quindi una sorta di “cadavere stellare”, che però non è del tutto inerte: possiede una forte emissione di onde elettromagnetiche, per esempio onde radio, che possono essere captate dai radiotelescopi sulla superficie terrestre. Agli inizi degli anni Novanta del secolo scorso, il radioastronomo polacco Alexander Wolszczan e il collega statunitense Dale Frail notarono che l’emissione di PSR B1257+12 aveva caratteristiche differenti dalle altre pulsar, come se qualcosa modificasse il segnale elettromagnetico dopo che era stato emesso da quella particolare “stella morta”. Quale poteva essere la causa? Con grande sorpresa di tutti, il misterioso fenomeno era spiegabile in modo molto naturale se si ipotizzava la presenza di almeno due pianeti in orbita attorno alla pulsar!

La reazione degli astrofisici alla scoperta fu duplice. Da una parte c’era grande soddisfazione, perché per la prima volta si aveva l’indicazione della reale esistenza di pianeti al di fuori del Sistema Solare. C’era però anche frustrazione: i calcoli mostravano che i pianeti dovevano avere dimensioni simili a quelle della Terra, ma era certo che non potessero avere sulla loro superficie un ambiente adatto alla vita, a causa delle potenti e energetiche radiazioni emesse dalla pulsar. Perciò la loro individuazione costituì un importante risultato dell’astrofisica contemporanea, ma non colpì la fantasia degli addetti ai lavori e tantomeno del grande pubblico.

Non si può dire altrettanto della scoperta del primo pianeta extrasolare in orbita attorno a una stella con caratteristiche simili al Sole, annunciata nel 1995². Il pianeta è chiamato 51 Pegasi b perché gravitazionalmente legato alla stella 51 della costellazione di Pegaso, posta a 48 anni luce³ dal Sole.

2. Il metodo spettroscopico della velocità radiale

Wolszczan e Frail non videro al telescopio i pianeti della pulsar, ma ne dedussero la presenza dalle caratteristiche anomale delle onde che giungevano dalla pulsar. Si trattava perciò di una osservazione indiretta. Questa è una caratteristica comune di tutte le metodologie osservative finora sviluppate per individuare pianeti extrasolari.

Non c’è bisogno di essere astronomi per capire perché l’osservazione diretta, cioè vedere un pianeta extrasolare puntando un telescopio verso una stella, sia estremamente difficile. Il pianeta, piccolo e scuro, scompare nella luce della stella, più grande e soprattutto più luminosa. Di fatto è come guardare controluce: si resta abbagliati⁴!

Ma, paradossalmente, quella stessa luce che ci impedisce la visione del pianeta ce ne può rivelare la presenza, a patto di saperla analizzare in modo opportuno.

Il pianeta extrasolare 51 Pegasi b fu trovato applicando una tecnica osservativa che sfrutta l’effetto Doppler. Tutti sanno che un pianeta è attratto gravitazionalmente dalla stella. Ma anche il pianeta esercita una piccola attrazione sulla stella, che perciò non è ferma al centro del sistema stella-pianeta, ma compie una piccola oscillazione intorno al punto di equilibrio delle rispettive attrazioni, detto “baricentro comune del sistema”. Questo movimento influenza le caratteristiche della luce emessa dalla stella; in particolare, se si osserva la stella dalla Terra si nota nel suo spettro, cioè nell’analisi delle componenti della sua emissione luminosa, che le righe spettrali mostrano uno spostamento ciclico in maniera alternata verso lunghezze d’onda ora più alte (spostamento Doppler verso il rosso, in inglese redshift), ora più basse (spostamento Doppler verso il blu, in inglese blueshift). La presenza dello spostamento Doppler segnala quindi l’esistenza di un corpo di massa planetaria in orbita attorno alla stella anche senza vederlo direttamente (Figura 1).

https://lcogt.net/files/spacebook/Radial%20Velocity%20Method%20star%20orbits_3.png

Figura 1. Con il metodo spettroscopico della velocità radiale si misura la variazione periodica delle caratteristiche della luce emessa dalla stella (spostamento alternato verso il rosso e verso il blu) dovuta al moto dell’astro per l’attrazione gravitazionale di un eventuale pianeta. L’oscillazione della stella è esagerata: il baricentro del sistema, rappresentato dal punto grigio, cade in realtà dentro la stella, ma senza coincidere con il suo centro geometrico (Las Cumbres Observatory Global Telescope Network, lcogt.net).

Misurando lo spostamento e il suo periodo, cioè ogni quanto tempo si ripete un ciclo completo, si ricava la velocità con cui la stella si avvicina e si allontana. Per la precisione, ricordando che la velocità è un vettore, si ricava la sua componente lungo il raggio che va dalla stella a noi che la osserviamo. Per questo si parla di tecnica della velocità radiale. Dalla misura della velocità radiale dell’oscillazione della stella si può stimare la massa del pianeta perché, com’è facile intuire, maggiore la massa del pianeta, maggiore è la velocità radiale dell’oscillazione della stella attorno al baricentro comune del sistema.

La grande difficoltà del metodo risiede nell’intrinseca piccolezza degli spostamenti delle righe spettrali. Si tratta infatti di misurare frazioni di miliardesimo di metro, che corrispondono a velocità radiali dell’ordine delle decine di metri al secondo, cioè qualche decina di chilometri all’ora. Una grande velocità per un essere umano, ma bassa per una stella!

Per questo motivo, benché il principio fisico fosse noto da tempo, fu solo a cavallo tra gli anni Sessanta e Settanta del XX secolo che fu possibile realizzare nella pratica strumenti potenzialmente in grado di misurare spostamenti di così piccola entità. Nonostante il continuo progresso della tecnologia, le prime campagne osservative con il metodo della velocità radiale, organizzate soprattutto da gruppi di ricerca statunitensi e canadesi, non diedero per anni alcun risultato. Qualche scienziato, frustrato dall’assenza di risultati positivi, giunse al punto di ipotizzare che i pianeti extrasolari non si trovavano perché… non c’erano! Poteva il Sistema Solare essere l’unico sistema planetario della nostra galassia?

3. La scoperta di 51 Pegasi b

La conclusione sembrava troppo drastica, perché era davvero difficile che tra le centinaia di miliardi di stelle della Via Lattea, il Sole fosse l’unica accompagnata da una corte di pianeti. La maggioranza degli studiosi aspettava quindi che arrivasse qualcuno con una buona notizia.

A riuscire nell’impresa furono due astrofisici svizzeri dell’Observatoire de Genève, Michel Mayor, professore all’università della città elvetica, e Didier Queloz, allora dottorando.

Mayor ideò uno spettroscopio che non si differenziava da quelli dei gruppi nordamericani tanto per le prestazioni, quanto piuttosto per l’affidabilità. Lo studioso, con certosina pazienza, seppe individuare tante piccole innovazioni tecnologiche che, sapientemente combinate, permettevano di ottenere misure precise. Inoltre i dati potevano essere analizzati in tempo reale al computer grazie a un complesso software, scritto appositamente da Queloz durante la sua tesi di dottorato.

Elodie, come fu affettuosamente soprannominato il prezioso spettroscopio, venne collegato al telescopio da 1,93 m dell’Observatoire de Haute-Provence, in Francia. Appena entrò in funzione, nell’autunno del 1994, rivelò un’interessante oscillazione della stella 51 Pegasi, un astro nella costellazione di Pegaso. Per un anno Mayor e Queloz raccolsero misure e analizzarono i dati, considerando varie ipotesi, finché giunsero alla clamorosa conclusione che la variazione in velocità radiale della stella poteva essere dovuta esclusivamente alla presenza di un pianeta!

Dopo un’anticipazione a voce, il 6 ottobre 1995, durante un congresso scientifico internazionale organizzato a Firenze, i due astrofisici pubblicarono lo storico articolo con la descrizione della scoperta su Nature, la più importante rivista scientifica internazionale insieme a Science, nel numero del 23 novembre 1995.

Contrariamente ai pianeti delle pulsar, questa volta la notizia suscitò grande interesse tra gli studiosi e finì sulle prime pagine dei quotidiani di tutto il mondo. Non si trattava di una stella morta come PSR B1257+12, ma una stella viva e per di più molto simile al Sole. Anche se era chiaro che 51 Pegasi b, come fu chiamato il pianeta, non aveva un ambiente adatto a ospitare forme di vita, perché troppo grande e caldo, la sua scoperta sanciva l’esistenza di mondi alieni attorno a stelle di tipo solare. Tutti gli astrofisici erano consapevoli che la strada era aperta e che, prima o poi, si sarebbero trovati pianeti con caratteristiche analoghe a quelle della Terra, quindi potenzialmente abitabili.

4. Il metodo fotometrico del transito

Se il metodo spettroscopico della velocità radiale si è rivelato fondamentale, oggi i “planet hunters”, i “cacciatori di pianeti”, hanno la necessità di cercare le loro “prede” extrasolari utilizzando una varietà di metodi osservativi oltre a quello delle righe spettrali. Ogni tecnica permette infatti di ricavare informazioni su proprietà fisiche differenti del pianeta. Combinando i risultati ottenuti per vie diverse relativamente alla stessa stella si può quindi arrivare a una caratterizzazione il più completa possibile del pianeta: dal periodo orbitale a dimensioni e massa, da cui si ricava la densità e si ha anche una stima della composizione chimica.

Insieme alla velocità radiale, la tecnica più importante è la rivelazione per via fotometrica di transiti planetari. Con il termine transito si intende il passaggio di un pianeta davanti al disco della stella attorno alla quale orbita. L’espressione per via fotometrica ricorda invece che i protagonisti sono sempre la luce (in greco antico “photòs”) e la sua misura (“métron”).

Anche questo metodo rivela la presenza del pianeta in modo indiretto, cioè grazie all’effetto che il pianeta causa sulla luce della stella. Mentre il pianeta extrasolare orbita, può capitare che periodicamente si frapponga tra la sua stella e la Terra, bloccando temporaneamente un po’ della luce della stella: questa sorta di eclisse in miniatura è detta transito. Non si osserva il disco nero del pianeta che si staglia sul disco luminoso della stella, perché la stella è molto più brillante del pianeta; però, se si hanno strumenti sufficientemente sensibili, si può misurare il piccolo calo della luce che arriva dalla stella nel tempo (Figura 2).

Il metodo del transito venne ufficialmente proposto negli anni Cinquanta del XX secolo dal grande astronomo Otto Struve (1897-1963), nato in Russia e poi divenuto cittadino statunitense⁵. La tecnica fornisce diverse informazioni contemporaneamente, come dimensioni e periodo orbitale. Più è grande il pianeta, maggiore sarà la quantità di luce bloccata, inoltre la diminuzione si ripete nel tempo seguendo il periodo orbitale. Perché si osservi un transito è però necessario che stella e pianeta extrasolare in transito siano allineati con la direzione di osservazione del telescopio.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/M%C3%A9thode_de_d%C3%A9tection_par_transit.jpg

Figura 2. Con il metodo fotometrico del transito si misura il piccolo calo della luce che arriva dalla stella nel tempo, dovuto al passaggio del pianeta che blocca i raggi del suo sole (elaborazione di immagine NASA/JPL, fr.wikipedia.org da planetquest.jpl.nasa.gov).

5. Vent’anni dopo la scoperta di 51 Pegasi b

Dal 1995 a oggi il numero dei pianeti extrasolari noti è cresciuto fino ad arrivare, nel momento in cui è redatto il presente testo⁶, a 1968 pianeti in 1248 sistemi esoplanetari, di cui 490 con due pianeti o più. Sono stati trovati, tranne qualche eccezione, entro un raggio di qualche centinaio di anni luce, la portata massima degli strumenti per osservazioni di questo genere. Fino al 2010, la maggior parte dei pianeti extrasolari erano stati individuati con il metodo della velocità radiale. Negli ultimi anni invece il maggior numero di scoperte è stato effettuato con il metodo del transito⁷, grazie al fondamentale contributo del satellite Kepler della agenzia spaziale statunitense NASA. Lanciato nel 2009, Kepler ha osservato le stelle dallo spazio, senza il disturbo dell’atmosfera, scoprendo più di 1000 pianeti extrasolari; oltre 3600 altri candidati pianeti sono in attesa di conferma.

I pianeti extrasolari presentano una grande varietà di caratteristiche, molte delle quali assolutamente inaspettate. 51 Pegasi b, per esempio, ha una massa di oltre un centinaio di volte la massa terrestre, pari a circa la metà della massa del pianeta Giove. Ma mentre il maggiore tra i pianeti del Sistema Solare orbita a 800 milioni di km dal Sole, circa 5 volte la distanza che separa la Terra dal Sole, e impiega poco meno di una dozzina d’anni a compiere una rivoluzione orbitale completa, 51 Pegasi b orbita intorno alla sua stella a una distanza circa 20 volte inferiore rispetto a quella della Terra dal Sole e addirittura un quinto del raggio orbitale di Mercurio, il pianeta più vicino alla nostra stella. Inoltre impiega appena 4 giorni a compiere una rivoluzione orbitale completa. All’epoca della sua scoperta, i massimi esperti del campo ritenevano che un pianeta come 51 Pegasi b non potesse esistere!

Lo studio dei pianeti extrasolari ha quindi costretto gli studiosi a rivedere profondamente i modelli sulla formazione e l’evoluzione dei sistemi planetari, compreso il nostro stesso Sistema Solare. In che modo si sono formati i pianeti e com’è possibile spiegare le loro diversità? Qual è stata l’evoluzione del sistema fino alla configurazione che noi oggi osserviamo? Come capita spesso in astronomia, guardare lontano e altrove aiuta a realizzare meglio quanto poco possiamo sapere di quello che abbiamo vicino, dove viviamo.

Finora sono stati trovati pianeti extrasolari con una grande varietà di caratteristiche: giganti gassosi, composti soprattutto da idrogeno e elio e con massa centinaia di volte quella della Terra, pianeti rocciosi di due o tre masse terrestri, pianeti ghiacciati o pianeti bollenti, in orbita attorno a stelle binarie o vaganti nello spazio senza essere legati a una stella… Ma non è ancora stato scoperto un pianeta con caratteristiche tali da lasciar presumere che possa avere sulla sua superficie condizioni totalmente analoghe a quelle della Terra e quindi adatte allo sviluppo della vita come noi la conosciamo. Per molti esperti manca poco alla conquista di questo vero e proprio “Sacro Graal” dell’astrofisica contemporanea.

La consapevolezza dell’esistenza di un pianeta potenzialmente in grado di ospitare forme di vita costituirebbe un ulteriore passo, forse definitivo, verso quello che gli studiosi chiamano “il completamento della rivoluzione copernicana”⁸. Dopo aver tolto la Terra dal centro del cosmo e averne compreso la natura di pianeta in orbita attorno a una stella tra centinaia di miliardi di stelle, nella zona periferica di una galassia tra centinaia di miliardi di galassie, la scienza moderna si è posta l’ambizioso traguardo di comprendere se anche l’ultima caratteristica che rende al momento speciale il nostro pianeta, la vita, sia un privilegio unico e prezioso, oppure un fenomeno diffuso, la più raffinata manifestazione delle leggi universali della natura.

Si tratta di risolvere un antico dilemma, un quesito che si sono posti i più grandi pensatori dell’umanità nel corso di millenni di storia e che ora potrebbe avere risposta grazie alla ricerca scientifica: siamo soli nell’universo?

6. Siti web per saperne di più

L’Encyclopédie des Planètes Extrasolaires

http://exoplanet.eu

La principale risorsa in rete sul tema. Il sito è on line dal mese di febbraio del 1995 (otto mesi prima dell’annuncio della scoperta di 51 Pegasi b!) ed è tuttora curato con ammirevole dedizione dall’astronomo francese Jean Schneider, dell’Observatoire de Paris. Il design è scarno ed essenziale, importante però è che il sito sia aggiornato frequentemente. In francese, italiano, inglese e anche portoghese, spagnolo, tedesco, polacco, persiano, russo, arabo e giapponese.

PlanetQuest: Exoplanet Exploration

http://planetquest.jpl.nasa.gov

PlanetQuest è il portale della NASA dedicato alla ricerca di pianeti extrasolari. Rispetto al sito europeo, lo stile è decisamente spettacolare, con varie risorse multimediali a disposizione; però gli aggiornamenti possono essere meno frequenti. In inglese.

Extrasolar planet

http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet

Un buon punto di partenza è la voce di Wikipedia, l’enciclopedia libera in rete. L’articolo è completo e affidabile, soprattutto nella versione in inglese, scritta anche con il contributo di alcuni ricercatori del campo.

Planetary Habitability Laboratory

http://phl.upr.edu

Un laboratorio virtuale gestito dalla University of Puerto Rico a Arecibo con informazioni aggiornate su quanto si ritiene che un pianeta extrasolare sia adatto o meno alla vita. In inglese.

Uno, nessuno, centomila… sistemi solari

http://altrimondi.inaf.it

Il più recente tra i siti web proposti è italiano, rivolto al grande pubblico e agli studenti. L’iniziativa dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e della Fundación Galileo Galilei-Telescopio Nazionale Galileo (FGG-TNG) è finanziata tramite il progetto premiale WOW (A Way to Other Worlds) e nata nell’ambito del progetto GAPS (Global Architecture of Planetary Systems). In altre parole, il meglio della ricerca tricolore in questo campo.

NOTE

(*) Andrea Bernagozzi lavora all’Osservatorio Astronomico della Regione Autonoma Valle d’Aosta.

danieleB

Un piede nel mondo cosiddetto reale (dove ha fatto il giornalista, vive a Imola con Tiziana, ha un figlio di nome Jan) e un altro piede in quella che di solito si chiama fantascienza (ne ha scritto con Riccardo Mancini e Raffaele Mantegazza). Con il terzo e il quarto piede salta dal reale al fantastico: laboratori, giochi, letture sceniche. Potete trovarlo su pkdick@fastmail.it oppure a casa, allo 0542 29945; non usa il cellulare perché il suo guru, il suo psicologo, il suo estetista (e l’ornitorinco che sonnecchia in lui) hanno deciso che poteva nuocergli. Ha un simpatico omonimo che vive a Bologna. Spesso i due vengono confusi, è divertente per entrambi. Per entrambi funziona l’anagramma “ride bene a librai” (ma anche “erba, nidi e alberi” non è malaccio).