È possibile trovare oceani su esopianeti lontani?

Trovare esopianeti con oceani sarebbe la svolta nella ricerca di nuovi mondi abitabili. Per farlo ci vogliono i modelli e i telescopi giusti.

Il sogno di tutti gli appassionati di astrofisica è uno solo: scovare nuovi esopianeti simili alla Terra nella speranza che siano abitabili.

Un buon indicatore è sicuramente la presenza di oceani. Vi immaginate se scoprissimo un esopianeta pieno di oceani? Beh, non potremmo fare a meno di notare una certa somiglianza con la Terra, chiaro, oltre al fatto, per ora imprenscindibile, della presenza di acqua liquida in superficie.

Ma la domanda è: come si fa a scoprire se su un esopianeta lontano anni luce ci sono gli oceani?

Per beccare un oceano devi studiare la luce

Partiamo da un aspetto banale: sarebbe bello fare la foto a un esopianeta e capire se è un pallino blu come la Terra.

Dobbiamo però capire che, se tutto va bene (e non è detto), al massimo ci aspettiamo una roba tipo questa nella foto qui sotto.

La Terra vista da Saturno, in uno scatto della (fu) sonda Cassini (Crediti: NASA)

Quella indicata nella freccia qui sopra è la Terra.

Si vede che è blu? Bah, insomma. Ma non importa in realtà. La cosa interessante è che noi sappiamo benissimo che è blu e quindi possiamo fare così: possiamo studiare la luce della Terra da quella distanza e capire quali sono i tratti distintivi che caratterizzano la presenza di oceani visti da lontano.

Infatti la luce di un esopianeta è in realtà la luce che l’esopianeta riflette e diffonde dalla stella attorno a cui orbita. L’eventuale presenza di acqua si può riconoscere subito dall’analisi della luce misurata tramite un telescopio che magari ha a bordo pure uno spettroscopio.

Tre metodi classici

C’è un articolo scientifico del 2012 che fa un riassunto dei metodi che potremmo usare per scovare gli oceani sugli esopianeti lontani, tramite l’analisi della luce che i pianeti riflettono dalla stella attorno a cui orbitano.

Metodo 1: colori cangianti. La luce riflessa e diffusa dagli oceani è meno intensa e forma più colori rispetto alla luce riflessa dai continenti. Se si guarda un esopianeta ruotare per un tempo sufficiente allora queste caratteristiche dovrebbero essere ben visibili.

Metodo 2: polarizzazione. La luce è un’onda elettromagnetica, cioè un insieme di campi elettrici e magnetici che oscillano. Un’onda elettromagnetica polarizzata è un’onda i cui campi elettrici e magnetici oscillano in una particolare direzione precisa (così, per farla semplice). L’acqua degli oceani è in grado di polarizzare di più la luce a differenza dei continenti. C’è da dire che questo effetto potrebbe essere mascherato, in una certa misura, dalla presenza dell’atmosfera dell’esopianeta.

Metodo 3: riflessione speculare. L’acqua degli oceani potrebbe rendere l’esopianeta più brillante a causa della riflessione speculare, cioè il fenomeno per cui la luce è riflessa con lo stesso angolo con cui incide sull’acqua degli oceani. Quindi man mano che l’esopianeta orbita attorno alla sua stella ci possono essere delle variazioni della luminosità dell’esopianeta che indicherebbero la presenza di oceani. Questo metodo può essere in qualche modo ingannevole: la presenza di neve e ghiaccio nelle zone attorno ai poli di un esopianeta potrebbero simulare questo tipo di riflessione della luce. Ciò non vuol dire che questo metodo non si può usare, ma vuol dire che per usarlo bene bisogna sapere interpretare i dati bene (e si può fare, per esempio, studiando che cosa accade con la Terra vista da lontano).

Usiamo la Terra come se fosse un esopianeta

Come vi dicevo, la Terra è un ottimo esempio (anzi, è l’unico che conosciamo!) di pianeta nell’universo con oceani in superficie.

Quindi studiare come la Terra riflette la luce del Sole vista da lontano può essere utilissimo per creare un modello teorico di pianeta con oceani da confrontare poi con altri esopianeti sparsi nella galassia.

Per esempio, la Terra non ha solo gli oceani, ma anche i continenti: come cambia la luce riflessa dalla Terra durante un giorno? La risposta a questa domanda è stata cercata in un articolo scientifico del 2019.

E la risposta è questa.

Ecco come cambia la luce riflessa dalla Terra durante la rotazione del nostro pianeta, a seconda della frequenza della luce (Crediti: Lustig-Yaeger, 2019)

Ma non solo. Immaginate di osservare per un bel po’ di ore la Terra (magari senza nuvole) a circa 15 anni luce di distanza con un telescopio che ha uno specchio principale di 15 metri circa; e immaginiamo di misurare la Terra in diversi periodi dell’anno. Che cosa misureremmo? La risposta è sempre nello stesso articolo scientifico ed è questa qua.

La Terra vista da 15 anni luce di distanza, a frequenze di luce infrarossa, in due diverse posizioni mentre orbita attorno al Sole. Notate le barre d’errore come sono diverse nei due casi (Crediti: Lustig-Yaeger, 2019)

Con questi modelli in mano abbiamo la possibilità di iniziare la ricerca degli oceani su esopianeti lontani in modo molto concreto.

Il futuro è quindi azzurro?

Ma i telescopi che abbiamo a disposizione sono in grado di misurare queste variazioni in un esopianeta lontano?

Protagonisti dei prossimi anni saranno molti telescopi spaziali NASA: c’è il James Webb Space Telescope (JWST) quasi in rampa di lancio, e poi se tutto va bene anche i telescopi spaziali LUVOIR, Origins Space Telescope e HabEx. Ce la faranno questi telescopi a scovare gli oceani? Beh, James Webb, Origins, HabEx hanno tutti specchi sotto i 6 metri; però LUVOIR, dovrebbe avere proprio uno specchio con 15 metri di diametro e quindi possiamo aspettarci probabilmente grandi cose.

Capire come studiare l’eventuale presenza di oceani su esopianeti è quindi fondamentale per programmare al meglio le future missioni scientifiche spaziali. Certo, la presenza di nuvole su un esopianeta potrebbe complicare i modelli, ma una cosa è sicura: scovare un esopianeta con oceani sarebbe il vero grande salto di qualità verso la ricerca di nuovi mondi abitabili.

C’è un pianeta attorno alla stella di Barnard

Abbiamo scoperto un esopianeta attorno alla Stella di Barnard. Il comunicato ufficiale dell’ESO lo trovate a questo link, mentre l’articolo scientifico con tutti i dettagli della ricerca lo potete leggere qui.

La Stella di Barnard

La Stella di Barnard è la stella singola più vicina a noi dopo il sistema triplo di Alfa Centauri, il sistema dove c’è anche Proxima Centauri e abbiamo già scoperto un pianeta.

La Stella di Barnard è una stella a 6,5 anni luce di distanza da noi. La stella di Barnard è famosa perché mostra il più grande moto apparente in cielo.

Moto della stella di Barnard in cielo al passare degli anni

La stella di Barnard è una nana rossa: queste stelle sono più piccole del Sole e hanno una temperatura un po’ più bassa (intorno ai 3000 gradi, rispetto ai 5500 del Sole). Le nane rosse sono ideali per cercare pianeti: per esempio hanno una bassa emissione di raggi X. 

Il pianeta appena scoperto

Il pianeta, chiamato Stella di Barnard b,  è stato trovato grazie allo strumento HARPS dell’ESO, nell’ambito dei progetti Red Dots e CARMENES, progetti che cercano pianeti proprio attorno a nane rosse. In realtà, i dati della ricerca usano anche osservazioni di altri strumenti, raccolte negli ultimi 20 anni.

HARPS misura lo spostamento Doppler della luce emessa dalla Stella di Barnard. Ciò che accade è che pianeta e stella si influenzano reciprocamente a causa della gravità: questo causa uno spostamento avanti e indietro della stella. Quindi, se la stella va avanti e indietro con diverse velocità, anche la frequenza della luce ne sarà affetta: quando la stella si avvicina la frequenza della luce aumenta; viceversa quando la stella si allontana la frequenza della luce emessa dimininuisce, come mostra il video qui sotto.

Dai dati raccolti da HARPS il pianeta Stella di Barnard b dovrebbe impiegare 233 giorni per fare un giro intorno alla sua stella; inoltre, si trattarebbe di una super Terra, cioè di un pianeta più grande della Terra, nella fattispecie con una massa almeno tre volte la massa del nostro pianeta.

Abbiamo trovato una super Terra: torna con la teoria?

In più, questo pianeta della Stella di Barnard è stato trovato a una distanza dalla stella tale per cui sarebbe in prossimità di quella che si chiama linea della neve. Le temperatura sul pianeta della Stella di Barnard sarebbero abbastanza inospitali per la vita così come la conosciamo: siamo intorno ai -170 gradi.

Che cos’è la linea della neve?  Dunque, nei pressi della stella, nel disco si può trovare acqua allo stato di gas; man mano che ci si allontana dalla stella, nel disco le temperature si fanno via via più basse e anche la pressione diventa minore e quindi, ad una certa distanza, abbiamo che l’acqua passa direttamente da gas a ghiaccio. La zona che separa questa transizione nel disco è chiamata la linea della neve dell’acqua.

La linea della neve di un sistema di esopianeti è già stata osservata in passato.

La cosa interessante di questo studio è la combinazione di due ipotesi teoriche: primo, i pianeti del tipo super Terra sono i più comuni attorno a stelle nane rosse; secondo, le super Terre dovrebbero formarsi principalmente in corrispondenza della linea della neve di un sistema solare.

Quindi, non solo è importante aver scoperto un nuovo pianeta attorno a una stella così vicina. È anche importante sottolineare che la ricerca sugli esopianeti continua a fornire risultati in linea con le teorie scientifiche, anche per quanto riguarda i dettagli sulla formazione dei pianeti.

E ora?

Ora si continua: la ricerca di nuovi esopianeti non si ferma mai. Nei prossimi mesi, presto, arriveranno anche i primi dati di NASA TESS su nuovi esopianeti attorno a stelle vicine e ci toccherà aggiornare il conto.

Per quanto riguarda il pianeta della Stella di Barnard, il fatto che siano serviti i dati degli ultimi 20 anni dovrebbe dare un’idea della difficoltà generale di fare questo genere di ricerche. Gli astrofisici, in fondo, provano a trovare un puntino che riflette la luce di una stella: non facilissimo.

Tuttavia, al di là della difficoltà oggettiva per cui sono richiesti strumenti nuovi e potenti, questa ricerca dimostra anche che l’unione tra  lo sforzo collettivo della comunità scientifica e la pazienza di saper raccogliere dati per un lungo periodo alla fine produce ottimi risultati.

Scovare piccoli dettagli nell’universo è sempre più difficile e richiede il lavoro di tutti: chi non è scienziato anche ci mette il suo pagando le tasse.

Comunque, non è che ci possiamo fermare qui con la Stella di Barnard. Servono nuove osservazione per confermare ulteriormente le caratteristiche del pianeta. Inoltre, prossimo obiettivo, magari potrebbe essere quello di riuscire a ottenere un’immagine diretta di questo pianeta (come già fatto qui, per esempio).

Beta Pictoris: una storia lunga (più di ) 30 anni

Dunque, mi ricordo questa cosa: erano i primissimi anni novanta e andavo alle elementari. Avevo visto in TV una pubblicità dove Piero Angela (che già ammiravo moltissimo) presentava la raccolta di fascicoli della collana L’universo. Prima uscita: 1000 lire. Le uscite successive: 4900 lire. A pensarci ora viene da ridere, praticamente i fascicoli erano gratis, se confrontati con i prezzi delle raccolte a fascicoli di oggi.

Ovviamente mi innamorai subito di quella raccolta: per la prima volta lessi cose sul Big Bang, sul telescopio Hubble, sulla composizione interna del Sole, sulle galassie. Inutile ricordare che di internet non c’era neanche l’ombra (almeno in Molise).

Beta Pictoris, una stella interessante

Un giorno, mentre sfogliavo un fascicolo, a un certo punto lessi questa cosa sulla stella Beta Pictoris.

Lessi che Beta Pictoris, una stella a circa 64 anni luce circa di distanza da noi,  mostra la presenza di un disco di gas e polveri attorno; sul fascicolo c’era scritto che forse, forse eh, Beta Pictoris poteva essere un sistema solare in formazione.

E attenzione: nelle prime righe del colonnino c’era scritto pure che non era stato ancora scoperto nessun pianeta extrasolare.

Quando dico che erano altri tempi, dico sul serio.

I primi pianeti extrasolari (quelli che si chiamano esopianeti) furono scoperti ufficialmente di lì a poco, poi.

Il pianeta di Beta Pictoris

Ma torniamo a Beta Pictoris. Anni dopo, il 18 novembre 2008, il pianeta attorno a Beta Pictoris fu osservato per davvero, grazie ai dati raccolti dal Very Large Telescope in Cile. Fu scoperto il pianeta Beta Pictoris b.

La scoperta del pianeta Beta Pictoris b è stata fatta grazie a misure di astrometria: in pratica si è studiato con grande dettaglio la posizione della stella Beta Pictoris. La presenza del pianeta perturba il moto della stella: questi piccoli movimenti della posizione della stella Beta Pictoris sono stati misurati e in questo modo si è ricavata la presenza del pianeta.

Non solo: è stato possibile anche stimare le caratteristiche del pianeta. Beta Pictoris b è un pianeta che ha 12 volte la massa di Giove e che dista dalla sua stella a una distanza circa pari a quella che divide Saturno dal Sole.

Se c’è una cosa che si vuole fare con gli esopianeti, ecco, quella cosa è provare a vederli, a scattare una foto. Fare ciò non è facilissimo per diversi motivi. La distanza del pianeta, per esempio, è un ostacolo: pensate che per avere un’immagine decente di Plutone abbiamo dovuto inviare una sonda da quelle parti e che neanche con il telescopio spaziale Hubble si riesce ad avere un’immagine degna di questo nome.

Un altro problema, oltre alla risoluzione, è dovuto alla presenza della luce della stella attorno a cui orbita il pianeta. La luce della stella in pratica nasconde il pianeta alla vista (un pianeta non emette luce propria, ma riflette quella della stella).

Comunque, nonostante i 60 anni luce di distanza, negli ultimi anni siamo riusciti a vedere il pianeta Beta Pictoris b. Certo, niente di eclatante: ma volete mettere riuscire a vedere un pianeta lontanissimo che gira intorno a un’altra stella? Riuscire a vedere un altro sistema solare in attività? Per risolvere il problema della luce della stella si è usata una soluzione teoricamente molto semplice: si è messo un filtro sul telescopio per coprire la luce della stella Beta Pictoris. In questo modo si riesce a vedere addirittura il pianeta Beta Pictoris b che si muove atorno alla sua stella.

Infatti, nel 2015 è pubblicato uno studio che mostra il moto di Beta Pictoris b da fine 2013 a inizio 2015 osservato con il Gemini South Telescope. Sempre in Cile.

Ma non è finita qui. A dieci anni di distanza dalla scoperta di Beta Pictoris b, ancora grazie al Very Large Telescope, abbiamo visto delle immagini incredibili di Beta Pictoris b: il 22 settembre 2018 è uscito un articolo i cui dati mostrano il pianeta passare davanti alla stella principale.

Stunning Exoplanet Time-lapse
Beta Pictoris b nel suo passaggio davanti la stella.

30 years and counting

Quando ho visto l’articolo che mostrava il moto di Beta Pictoris b davanti alla sua stella, la mia mente ha creato un viaggio lungo 30 anni: dalla scoperta ufficiale del primo esopianeta a oggi. Quando da piccolo leggevo l’Universo, si cercava il primo esopianeta; oggi sappiamo che esistono circa 3800 esopianeti, ci sono telescopi spaziali (Kepler, TESS) che cercano di scovarne altri, magari anche simili alla Terra (che non guasterebbe, eh).

Se guardiamo le cose con una prospettiva ancora più ampia, la scoperta di migliaia di esopianeti ha definitivamente messo su un piano completamente nuovo la nostra collocazione nell’universo.

In circa 30 anni abbiamo vissuto in diretta una delle più grandi rivoluzioni scientifiche della storia. Meraviglioso.