Giugno 2017, la ricerca in evidenza: il progetto GAPS e lo studio dei sistemi esoplanetari

L’interesse del pubblico e della comunità scientifica verso lo studio degli esopianeti va sempre più crescendo. Questo soprattutto grazie ai brillanti risultati di missioni internazionali come CoRoT e Kepler che hanno permesso, ad oggi, la scoperta di 3610 esopianeti a cui si aggiungono più di 2000 candidati da confermare (link). La ricerca di nuovi esopianeti è comunque solo uno degli aspetti di questa importante branca dell’astrofisica, che ancora cerca di dare risposta ad importanti domande, quali:

 

  • Come si formano i pianeti?
  • Quali processi portano alla formazione di pianeti diversi, e con orbite diverse, attorno stelle dello stesso tipo?
  • L’interazione tra gli esopianeti e la stella attorno cui orbitano sono importanti per l’attività della stella, l’evoluzione dei pianeti e la loro abitabilità?
  • L’ambiente di formazione può condizionare il prodotto finale del processo di formazione planetaria?
  • Quale è il percorso evolutivo dei pianeti, della loro struttura, composizione, ed atmosfera?
  • Quanto sono frequenti i pianeti rocciosi all’interno delle zone abitabili (ossia la regione attorno una determinata stella dove un pianeta può ospitare acqua allo stato liquido)?

 

La ricerca e la caratterizzazione degli esopianeti presenta difficoltà enormi dal punto di vista osservativo e teorico, spingendo la comunità scientifica a sviluppare tecniche sempre migliori di osservazione ed analisi e strumentazione sempre più avanzata. Le tecniche principali per lo studio degli esopianeti sono l’osservazione dei transiti e la misura delle velocità radiali. La prima consiste nell’osservare e misurare le piccole variazioni di luminosità delle stelle con esopianeti quando questi passano lungo il disco stellare, oscurandone una piccola parte. I pianeti però sono sempre molto più piccoli delle stelle attorno cui orbitano. Ad esempio, Giove, il pianeta più grande del Sistema Solare, ha una sezione che è solo un centesimo rispetto quella del nostro Sole. La variazione di luce prodotta duranti i transiti è quindi sempre molto debole, tipicamente dell’1-2% quando sono dovute a giganti gassosi.

 

La seconda tecnica maggiormente usata per l’individuazione e studio dei pianeti extrasolari è l’analisi delle velocità radiali. I concetto alla base di questa tecnica è il fatto che un pianeta orbitante attorno una stella induce periodiche oscillazioni della posizione della stella stessa. Tali oscillazioni possono essere osservate sfruttando l’effetto Doppler: la frequenza osservata di un fenomeno ondulatorio cambia quando la sorgente si muove rispetto l’osservatore, e lo spostamento della frequenza osservata rispetto quella “a riposo” dipende dalla velocità con cui la sorgente si muove. Questo chiaramente vale anche per la luce emessa da una stella che oscilla attorno una posizione di equilibrio: la lunghezza d’onda della radiazione osservata aumenta quando la stella di allontana, e diminuisce quando invece si avvicina all’osservatore. È quindi possibile identificare stelle con simili oscillazioni osservando periodiche variazioni nei loro spettri delle lunghezze d’onda a cui corrispondono righe note. Ma quanto è intenso l’effetto Doppler sullo spettro di una stella attorno cui orbita un pianeta? Molto poco: le oscillazioni sono infatti tipicamente dell’ordine di 1 metro al secondo o meno, minori della velocità a cui mediamente un uomo cammina.

 

Description of the radial velocity method.
Credit: ESO

 

Per riuscire ad apprezzare simili effetti è quindi necessario osservare lo spettro emesso dalle stelle ad altissima risoluzione spettrale. Per raggiungere tali sensibilità, nel 2012 è stato installato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG) lo spettroscopio HARPS-N (link), operante in banda ottica tra 383 nm e 690 nm con una risoluzione spettrale di 115000, che si traduce in una risoluzione in velocità di 0.6 m/s. Per sfruttare al meglio le grandi potenzialità di HARPS-N è stato necessario instaurare una forte coordinazione tra i vari gruppi di ricerca italiani nel campo degli esopianeti. Questa collaborazione ha dato vita al progetto GAPS (Global Architecture of Planetary Systems).

 

GAPS vede la luce durante il meeting a Catania nel marzo 2012, unendo astronomi degli osservatori di Torino, Milano, Padova, Trieste, Napoli, Catania, Palermo e la Fondazione Galileo, che gestisce il TNG. Durante lo stesso anno GAPS è stato approvato dal TAC del TNG permettendo le prime osservazioni già dal ciclo AOT26, iniziato il settembre 2012. È stato l’inizio di una frenetica attività osservativa, che ha totalizzato nell’agosto 2016 ben 314 notti di osservazione dedicate a GAPS, per un totale di 7162 spettri acquisiti. Successivamente altri 1525 spettri sono stati ottenuti dopo un accordo con il team spagnolo EXOTEAM.

GAPS targets sample
Credit: GAPS

L’obiettivo generale di GAPS è la caratterizzazione di sistemi esoplanetari noti, in modo da comprenderne formazione ed evoluzione. Questo avviene principalmente lungo due linee di ricerca: i) lo studio della frequenza dei pianeti di piccola massa in funzione della massa della stella centrale, la sua metallicità e l’ambiente di formazione e ii) la caratterizzazione delle proprietà fisiche delle stelle che ospitano pianeti, dei pianeti stessi e delle loro orbite.

 

In cinque anni di attività molti successi sono stati ottenuti dal team di GAPS, come è provato dal gran numero di pubblicazioni: ad oggi 21 articoli pubblicati in riviste con peer review, che affrontano principalmente i seguenti temi:

 

  • La ricerca ed l’identificazione di pianeti di piccola massa in sistemi esoplanetari noti che ospitano giganti gassosi.
  • Lo studio di come i pianeti massivi partecipano alla definizione dell’architettura finale del sistema esoplanetario a cui appartengono.
  • Lo studio dell’orientamento tra i piani orbitali dei pianeti e l’asse di rotazione delle stelle attraverso il fenomeno Rossiter-McLaughlin (descritto a questo link nelle nostre news di ricerca). L’importanza di questo studio è evidente se si pensa che circa il 60% dei sistemi esoplanetari studiati mostra orbite perpendicolari all’asse di rotazione della stella, come nel Sistema Solare, ma in ben 40% dei casi la situazione è diversa.
  • Lo studio delle interazioni tra stella e pianeta, di come la presenza di pianeti massivi possa influenzare l’attività stellare e di quanto l’attività stellare sia importante nel processo di formazione planetaria e nella definizione di abitabilità.
  • La caratterizzazione e frequenza di esopianeti attorno stelle con diverse proprietà fisiche, fondamentali per comprendere come il processo di formazione planetaria ed il suo prodotto finale dipenda dalle proprietà della stella centrale (il che permette anche di derivare statistiche sull’intera popolazione galattica).
  • La ricerca e caratterizzazione di pianeti in ammassi stellari (come le Pleiadi ed il Presepe), per comprendere il ruolo di ambienti ad alta densità stellare nel processo di formazione planetaria.
  • Lo sviluppo di modelli di atmosfere esoplanetarie capaci di predire e descrivere cambiamenti stagionali e variazioni di temperatura superficiale, permettendo di migliorare la definizione di “abitabilità” degli esopianeti.
  • Lo sviluppo di tecniche specifiche di analisi dati.

 

Il team di GAPS, inizialmente composto da 50 astronomi italiani, è oggi composto da 61 astronomi di vari istituti italiani, per 2/3 da astronomi senior e 1/3 postdocs. Al team si aggiungono anche 21 scienziati stranieri che collaborano a vari aspetti del progetto. Anche l’Osservatorio Astronomico di Palermo partecipa a GAPS, rivestendo ruoli di responsabilità nell’organizzazione interna del progetto, e nel campo della ricerca di pianeti di piccola massa attorno stelle M, lo studio dell’attività stellare e dell’architettura dei sistemi esoplanetari. Il team palermitano è composto da Giuseppina Micela ed Antonio Maggio, membri del GAPS board e, insieme a Laura Affer e Sabrina Masiero, anche del GAPS Science Team.  Insieme a loro, il team conta Loredana Prisinzano, Cesare Cecchi Pestellini, Angela Ciaravella, Francesco Damiani,  Mario Damiano, Antoni Garrido, Ester Gonzalez Alvarez, Daniele Locci, Jesus Maldonado,  Ignazio Pillitteri e Tiziano Zingales.

 

Palermo è anche stata la sede dell’ultimo GAPS Process Meeting, che si è tenuto dal 15 al 17 Maggio presso l’Orto Botanico. Al meeting hanno partecipato 48 astronomi italiani che con un susseguirsi di presentazioni ed incontri, intervallati da una visita al Centro Internazionale per le Scienze Astronomiche Gal Hassin di Isnello, hanno discusso i risultati finora ottenuti dal progetto ed i suoi sviluppi futuri. Grazie al ruolo dell’Osservatorio Astronomico di Palermo in GAPS, la ricerca sugli esopianeti parla sempre più palermitano.

 

Volete conoscere più nel dettaglio alcuni sistemi esoplanetari noti? Dai un’occhiata alla pagina “pillole di esopianeti” a questo link