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I 7 pianeti di Trappist-1

Fig.1: La curva di luce ripresa da Spitzer (in grigio le osservazioni fatte contestualmente da terra). I simboli colorati indicano quale pianeta sta transitando davanti alla stella, secondo il codice di colori usato nelle altre figure.
Fig.1: La curva di luce ripresa da Spitzer (in grigio le osservazioni fatte contestualmente da terra). I simboli colorati indicano quale pianeta sta transitando davanti alla stella, secondo il codice di colori usato nelle altre figure. Crediti: Gillon et al. - ESO

La notizia della scoperta (erroneamente attribuita da molti alla NASA) di un "mini-sistema solare" con pianeti abitabili attorno alla nana rossa Trappist-1 ha imperversato sui media la settimana scorsa e anche noi ne abbiamo parlato. Ma come è fatto in dettaglio questo sistema planetario e come si sono ricavate queste informazioni?

 Trappist-1 è il nome con cui è stata ribattezzata una stella nana ultrafredda, già nota come 2MASS J23062928-0502285 (dal catalogo infrarosso 2MASS a 2 μm). Il nome deriva dal telescopio con cui è stata studiata inizialmente, il "TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South", che significa "Piccolo telescopio per pianeti e planetesimi in transito"; si tratta di un telescopio robotico belga che ha iniziato ad operare nel 2010, così chiamato anche in onore dell'ordine dei trappisti del Belgio.

1200px TRAPPIST telescope at La Silla Eso1023e

Fig.2: Il telescopio da 60cm Trappist-1 sulle Ande cilene. - Crediti: Di E. Jehin/ESO - http://www.eso.org/public/images/eso1023e/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37664358

 Sulla base delle caratteristiche fotometriche e spettrali, la stella ha le seguenti proprietà (il simbolo ⊙ indica il valore di riferimento solare):

Massa: ( 0.080 ± 0.007 ) M
Luminosità: ( 0.00052 ± 0.00003) L
Raggio: ( 0.117 ± 0.004 ) R 
Densità: ( 50 ± 5 ) ρ
Temperatura superficiale: ( 2560 ± 50 ) K
Metallicità [Fe/H]: + 0.04 ± 0.08
Distanza: (12.1±0.4) pc = (39.5±1.3) anni luce

 Come si vede, si tratta di una stella molto diversa dal Sole, densa e fredda, con una massa al limite per l'innesco delle reazioni nucleari: quasi una nana bruna! L'indice di metallicità vicino a zero suggerisce comunque una età confrontabile quella del sistema solare, forse leggermente più giovane.

 Diciamo subito che la totalità delle informazioni sui pianeti di Trappist-1 derivano dalle misure fotometriche infrarosse, ovvero dallo studio dei transiti davanti alla stella e dai conseguenti abbassamenti di luminosità di quest'ultima. Questo metodo, reso famoso dal satellite Kepler, richiede un allineamento del piano orbitale con la linea di vista e quindi si applica solo a una minoranza di sistemi planetari; tuttavia, quando questa fortunata configurazione si verifica, risulta essere il metodo più efficace per la ricerca e lo studio dei pianeti extrasolari, anche perchè relativamente facile da realizzare con le attuali tecnologie (ci sono addirittura esempi di transiti osservati da astrofili evoluti!).

 Nel caso di Trappist-1, però, le misure non erano semplicissime perchè la stella in questione, pur essendo relativamente vicina, è piccola, dunque fredda e poco luminosa: la sua magnitudine visuale si avvicina a 19 mentre la maggior parte dell'energia viene emessa nel vicino infrarosso. Per questo motivo, un ruolo fondamentale nello studio lo ha svolto il telescopio spaziale Spitzer e altre osservazioni infrarosse sono arrivate di telescopi UKIRT nelle Hawaii e VLT sulle Ande, mentre la maggior parte dei transiti sono stati osservati comunque con i due telescopi robottizzati Trappist South e North (il secondo recentemente inaugurato in Marocco), con alcuni eventi studiati anche da Hubble, oltre che dai telescopi inglesi Herschel e Liverpool (Canarie) e dal SAAO (Sudafrica). Dato che anche la maggior parte dei firmatari dell'articolo sono ricercatori europei (e lo stesso articolo è pubblicato dall'ESO), è sbagliato affermare che questa scoperta sia stata fatta dagli americani, come invece molti media hanno conluso sulla base della risonanza avuta dalla conferenza stampa della Nasa!

  Le osservazioni iniziali, un anno fa, avevano mostrato chiaramente l'esistenza di 3 pianeti denominati Trappist-1b,1c,1d (Trappist-1a è in realtà il componente principale cioè la nana rossa); c'erano anche un paio di transiti attribuibili a un possibile quarto oggetto di cui però non era chiaro il periodo di rivoluzione. Una delle eclissi causate da questo presunto quarto pianeta ha coinciso temporalmente con il passaggio di altri due, generando la spettacolare curva di luce riportata qui sotto, ricavata con lo strumento "High Acuity Widefield K-band Imager" (HAWK-I), una camera infrarossa montata sul Very Large Telescope europeo sulle Ande.

Trapp1 triplo transito

Fig.3 : Triplo transito dei pianeti c,e,f osservato con VLT/HAWK-I il giorno 11 Dicembre 2015 (in basso il diagramma esplicativo della posizione dei 3 pianeti davanti al disco stellare in tre diversi momenti)- Crediti: Gillon et al. - ESO

 Sulla base di questi intriganti risultati, si decise di dedicare tre settimane di osservazioni da parte del telescopio spaziale Spitzer al sistema Trappist-1 e i risultati sono riportati in Figura 1. Durante questa campagna osservativa effettuata nel medio infrarosso (λ=4.5 μm) Spitzer ha osservato ben 34 transiti e non solo ha confermato la loro natura planetaria ma ha svelato l'esistenza di altri 3-4 corpi con periodi più lunghi in orbita attorno alla stella. Anche in questo caso, l'ultimo oggetto più esterno è stato visto transitare solo in una occasione, con un abbassamento di luminosità contenuto (0,35%) ma prolungato (75 minuti), come si vede nella figura 4 a sinistra; finchè non ci saranno conferme osservative, di questo presunto settimo pianeta (Trappist-1h) sappiamo le dimensioni e la distanza approssimativa dalla stella ma non l'esatto periodo di rivoluzione.

Trapp1 curve e modello

 Fig.4: Curve di luce rappresentative dei transiti dei 7 pianeti (a sinista) e rappresentazione delle loro orbite (escluso Trappist-1h); l'area in grigio e quella delimitata dai due cerchi tratteggiati rappresentano la "zona abitabile" (presenza abbondante di acqua liquida in superficie) secondo due diversi modelli. - Crediti: Gillon et al. - ESO

 

Metodologie di indagine e risultati

 Una volta ottenuti tutti i dati fotometrici, il lavoro dei ricercatori che hanno stilato l'articolo in questione si è diviso in tre fasi:

 Nella prima fase, i singoli transiti sono stati analizzati con un particolare algoritmo statistico (chiamato "adaptive Markov-Chain Monte Carlo" o MCMC) per ricavare i valori caratteristici di profondità, durata e tempistiche di transito per ciascun pianeta. In questo modo si sono ottenute le "effemeridi medie" dei tempi di transito ed è emerso che, rispetto a quanto previsto da questo modello, c'erano delle deviazioni temporali significative, specialmente sui pianeti f e g. Queste "transit timing variations" (TTVs) consistono in ritardi o anticipi che vanno da poche decine di secondi fino a 30 minuti e testimoniano una interazione gravitazionale tra i pianeti, posti su orbite molto vicine tra loro. L'interazione viene ulteriormente amplificata dalla presenza di risonanze tra i periodi, come spiegato a fine articolo.

 A questo punto, nella seconda fase di elaborazione, si sono utilizzati i soli dati di Spitzer per ricavare informazioni dirette sulle dimensioni dei pianeti (legate alla percentuale di luce bloccata) e sui periodi/distanze di rivoluzione. Uno dei motivi per cui si è usato solo lo Spitzer è che, nel medio infrarosso, l'effetto di oscuramento sul bordo del disco stellare è molto contenuto, favorendo una misura precisa della curva di luce in ingresso e in uscita e, di conseguenza, una stima migliore dei parametri fisici e orbitali. Nel fare questi calcoli, si è assunto che le orbite fossero, in prima approssimazione, circolari; tale assunzione era corroborata dalle simulazioni numeriche sulla stabilità del sistema (le cosiddette "N-body simulations" di cui parleremo nel prossimo paragrafo) che suggerivano comunque una eccentricità e<0,1.

 Nella terza fase, i dati precedentemente ottenuti sono stati combinati con quelli sulle anomalie temporali TTV per ricavare (sempre tramite simulazione a N-corpi) le masse dei vari pianeti, nonchè i limiti superiori alle eccentricità delle loro orbite. Come si vede nella Tabella 2, tali stime sono ancora piuttosto rozze e gli stessi autori tengono a sottolineare che si tratta di risultati provisori, che potrebbero cambiare significativamente man mano che nuove misure si accumuleranno.

Tabella 2 : caratteristiche dei pianeti (tra parentesi l'incertezza sulle ultime cifre visualizzate)

Pianeta b c d e f g h
Numero di singoli transiti osservati 37 29 9 7 4 5 1
Periodo orbitale (giorni) 1.5108708 (6) 2.4218233 (17) 4.04961 (6) 6.099615 (11) 9.206690 (15) 12.35294 (12) 14 ÷ 35
Semiasse maggiore (milioni di km) 1.66 2.28 3.21 4.22 5.55 6.75 7.5 ÷ 13.5
eccentricità (confidenza al 95%) < 0.081 < 0.083 < 0.070 < 0.085 < 0.063 < 0.061 ?
inclinazione (gradi) 89.65 (25) 89.67 (17) 89.75 (16) 89.86 (11) 89.68 (3) 89.71 (3) 89.75-89.9
Massa (Terra=1) 0.85 (72) 1.38 (61) 0.41 (27) 0.62 (58) 0.68 (18) 1.34 (88)  
Raggio (Terra=1) 1.085 (35) 1.055 (35) 0.772 (30) 0.918 (39) 1.045 (38) 1.127 (41) 0.755 (35)
Densità (Terra=1) 0.66 (56) 1.17 (53) 0.89 (60) 0.80 (76) 0.60 (17) 0.94 (63)  
Temperatura di Equilibrio (°C) +127 (8) +69 (7) +15 (6) -22 (5) -54 (4) -74 (4)  

 Da sottolineare che l'inclinazione delle orbite è misurata rispetto alla normale alla linea di vista, dunque deve essere molto vicina a 90° altrimenti i transiti non si vedrebbero da Terra. Inoltre, la cosiddetta "Temperatura di equilibrio" è calcolata per un pianeta senza atmosfera e di albedo nulla, cioè che assorbe tutta la radiazione incidente. Nella realtà, l'albedo è sicuramente maggiore e quindi le temperature dovrebbero abbassarsi perchè una parte dell'energia è dispersa nello spazio; d'altronde, la eventuale presenza di una atmosfera agirebbe nella direzione opposta, facendo aumentare la temperatura per effetto serra.

 I due grafici sottostanti riportano, rispettivamente, la massa e l'irraggiamento dei vari pianeti in funzione del loro raggio; sono riportati per confronto anche Venere, Terra e Marte.

 Trapp1 densità

Crediti: Gillon et al. - ESO

Trapp1 flusso energetico

Crediti: Gillon et al. - ESO

 Come si vede, anche se le incertezze sulla massa e quindi sulla densità sono per ora alte, si può ragionevolmente affermare che Trappist-1f (e probabilmente anche 1b) sono decisamente meno densi della Terra mentre 1c e 1d sono prevalentemente rocciosi come i pianeti del nostro sistema solare interno. Tuttavia, mentre 1b e 1c sono probabilmente troppo caldi per trattenere acqua liquida in superficie, 1d e 1e ricevono un irraggiamento molto simile a quello terrestre e anche 1f, che riceve meno energia di Marte dalla propria stella, potrebbe offrire condizioni favorevoli alla vita poiché dotato di massa sufficiente a trattenere una atmosfera densa, oltre al fatto di poter contenere grandi quantità di acqua, come suggerisce la densità bassa.

 

Stabilità e abitabilità

 Quello di Trappist è un "sistema solare bonsai" che potrebbe stare comodamente dentro l'orbita di Mercurio. Dato che i pianeti sono su orbite tra loro decisamente vicine (anche meno di 1 milione di km) e hanno masse confrontabili con quella della Terra, sorge spontanea la domanda se le mutue interazioni gravitazionali (le stesse che hanno permesso di stimarne le masse) non possano distruggere il sistema scagliando i pianeti verso l'esterno, verso la stella o in catastrofiche collisioni reciproche.

 I ricercatori hanno effettivamente indagato questo punto, impiegando due diversi software “N-body” per simulare il comportamento a lungo termine del sistema, su un intervallo di tempo di mezzo milione di anni; anche se, in realtà, si tratta di un intervallo di tempo abbastanza irrisorio sulla scala astronomica e anche evolutiva, nella maggior parte dei casi la simulazione portava effettivamente all'instabilità e alla distruzione del sistema planetario entro quel periodo. Una simile fine prematura è in contrasto con il fatto che il sistema planetario esiste ed è probabilmente in quella configurazione da miliardi di anni. Perciò, i ricercatori hanno utilizzato un altro metodo di indagine di carattere statistico e hanno scoperto che, variando i parametri orbitali e di massa entro gli intervalli di incertezza, nell’ 8% dei casi il sistema planetario è in grado di resistere per almeno 1 miliardo di anni.

 La stabilità migliora ulteriormente se nel modello dinamico si tiene conto anche degli effetti delle forze mareali, sicuramente molto forti, che si esercitano tra i pianeti e la loro stella madre; queste forze sono tali da rendere probabilmente sincrona la rotazione e la rivoluzione dei pianeti, un po' come succede alla Luna o nel sistema Plutone-Caronte. In tal caso, peraltro, questa rotazione sincrona influirebbe drasticamente sulla circolazione atmosferica e sul clima dei pianeti, rendendo di fatto abitabile la zona vicina al terminatore per i tre pianeti in fascia abitabile e consentendo forse lo sviluppo della vita anche sugli emisferi perennemente illuminati nei due pianeti più remoti...

 Un ultimo elemento di stabilizzazione a lungo termine delle orbite potrebbe derivare dagli effetti di risonanza e, di fatto, i periodi dei pianeti formano tra loro rapporti molto vicini a numeri razionali, il che vuol dire che certe configurazioni si ripetono nel tempo. Più precisamente, i rapporti tra i periodi Pc/Pb, Pd/Pc, Pe/Pd, Pf/Pe e Pg/Pf risultano approssimativamente pari a 8/5, 5/3, 3/2, 3/2 e 4/3, rispettivamente. E' probabile che una simile configurazione più stabile sia stata raggiunta nel tempo, dopo che i pianeti sono "migrati" dalle posizioni originali in cui si erano formati.

 

Conclusioni

 L'esplorazione di Trappist-1, come di molti altri sistemi planetari, è solo all'inizio e sicuramente altre grosse sorprese ci aspettano nei prossimi anni; questo soprattutto quando saremo in grado di studiare anche la composizione dell'atmosfera dei pianeti rocciosi in fascia abitabile, grazie ai telescopi di prossima generazione come EELT e JWST. Per quanto riguarda invece la possibilità di rivelare la presenza di vita o di organizzare addirittura missioni spaziali verso questo e altri sistemi (come fantasticato da molti commentatori non esperti), per ora siamo  ancora tecnologicamente lontani da simili imprese!

 

Riferimenti:
- http://www.eso.org/public/news/eso1706/

- http://www.nature.com/nature/journal/v542/n7642/full/nature21360.html
- https://it.wikipedia.org/wiki/TRAPPISThttps://it.wikipedia.org/wiki/TRAPPIST

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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