Per innumerevoli generazioni, gli esseri umani hanno guardato il cielo notturno e si sono chiesti se fossero soli nell’Universo. Con la scoperta di altri pianeti nel nostro Sistema Solare, la vera estensione della Via Lattea e altre galassie oltre la nostra, questa domanda si è solo approfondita e diventata più profonda.

E mentre gli astronomi e gli scienziati hanno a lungo sospettato che altri sistemi stellari nella nostra galassia e nell’Universo avessero pianeti orbitanti propri, è stato solo negli ultimi decenni che ne sono stati osservati. Nel corso del tempo, i metodi per rilevare questi “pianeti extrasolari” sono migliorati e l’elenco di coloro la cui esistenza è stata confermata è cresciuto di conseguenza (oltre 4000 e contando!)

Definizione:

Un pianeta extrasolare (aka. esopianeta) è un pianeta che orbita attorno a una stella (cioè fa parte di un sistema solare) diverso dal nostro. Il nostro Sistema solare è solo uno tra miliardi e molti di loro molto probabilmente hanno il proprio sistema di pianeti. Già nel XVI secolo, ci sono stati astronomi che hanno ipotizzato l’esistenza di pianeti extrasolari.

La prima menzione registrata è stata fatta dal filosofo italiano Giordano Bruno, uno dei primi sostenitori della teoria copernicana. Oltre a sostenere l’idea che la Terra e altri pianeti orbitano attorno al Sole (eliocentrismo), ha avanzato l’idea che le stelle fisse siano simili al Sole e siano ugualmente accompagnate da pianeti.

Nel XVIII secolo, Isaac Newton ha fatto un suggerimento simile nel “Generale Scholium” sezione che conclude il suo Principia. Facendo un paragone con i pianeti del Sole, scrisse ” E se le stelle fisse sono i centri di sistemi simili, saranno tutte costruite secondo un disegno simile e soggette al dominio di Uno.”

Dai tempi di Newton, sono state fatte varie affermazioni di scoperta, ma tutte sono state respinte dalla comunità scientifica come falsi positivi. Nel 1980, un gruppo di astronomi ha affermato di aver identificato alcuni pianeti extrasolari nei sistemi stellari vicini, ma non sono stati in grado di confermare la loro esistenza fino a anni dopo.

Prime scoperte:

Uno dei motivi per cui i pianeti extrasolari sono così difficili da rilevare è perché sono persino più deboli delle stelle che orbitano. Inoltre, queste stelle emettono luce che” lava ” i pianeti-cioè li oscura dall’osservazione diretta. Di conseguenza, la prima scoperta non fu fatta fino al 1992 dagli astronomi Aleksander Wolszczan e Dale Frail.

Usando l’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, la coppia osservò diversi pianeti di massa terrestre in orbita attorno alla pulsar PSR B1257+12. Non è stato fino al 1995 che la prima conferma esopianeta intorno a una stella di sequenza principale è stata fatta. In questo caso, il pianeta osservato era 51 Pegasi b, un pianeta gigante trovato in un’orbita di quattro giorni attorno alla stella simile al Sole 51 Pegasi (circa 51 anni luce dal nostro Sole).

Inizialmente, la maggior parte dei pianeti rilevati erano giganti gassosi simili o più grandi di Giove, il che ha portato alla coniazione del termine “Super – Giove”. Lungi dal suggerire che i giganti gassosi fossero più comuni dei pianeti rocciosi (cioè “simili alla Terra”), questi risultati erano semplicemente dovuti al fatto che i pianeti di dimensioni di Giove sono semplicemente più facili da rilevare a causa delle loro dimensioni.

La missione Kepler:

Prende il nome dall’astronomo rinascimentale Johannes Kepler, l’osservatorio spaziale Kepler è stato lanciato dalla NASA il 7 marzo 2009 allo scopo di scoprire pianeti simili alla Terra in orbita attorno ad altre stelle. Come parte del programma Discovery della NASA, una serie di progetti relativamente a basso costo focalizzati sulla ricerca scientifica, la missione di Kepler era quella di trovare prove di pianeti extrasolari e stimare quante stelle nella nostra galassia hanno sistemi planetari.

Basandosi sul metodo di rilevamento del transito (vedi sotto), la suola di Keplero utilizzava un fotometro per monitorare continuamente la luminosità di oltre 145.000 stelle di sequenza principale in un campo visivo fisso. Questi dati sono stati poi trasmessi sulla Terra dove sono stati analizzati dagli scienziati per cercare eventuali segni di oscuramento periodico causato da pianeti extrasolari che transitano (passando) davanti alla loro stella ospite.

La durata iniziale prevista della missione Kepler era di 3,5 anni, ma i risultati più alti del previsto portarono all’estensione della missione. Nel 2012, la missione avrebbe dovuto durare fino al 2016, ma questo è cambiato a causa del fallimento di due delle ruote di reazione del veicolo spaziale – che vengono utilizzate per puntare il veicolo spaziale. Ciò ha disabilitato la raccolta di dati scientifici e ha minacciato la continuazione della missione.

Il 15 agosto 2013, la NASA ha annunciato di aver rinunciato a cercare di riparare le due ruote di reazione fallite e modificato la missione di conseguenza. Piuttosto che rottamare Kepler, la NASA propose di cambiare la missione utilizzando Kepler per rilevare pianeti abitabili attorno a stelle nane rosse più piccole e più tenui. Questa proposta, che divenne nota come K2 “Seconda luce”, è stata approvata il 16 maggio 2014.

La missione K2 (che durò fino a ) si concentrò maggiormente su stelle più luminose (come le stelle di classe G e K). A partire dal 6 febbraio 2021, gli astronomi hanno confermato la presenza di 4.341 esopianeti in 3.216 sistemi planetari, la maggior parte dei quali sono stati trovati utilizzando i dati di Kepler. Tutto sommato, la sonda spaziale ha osservato oltre 530.506 stelle nel corso delle sue missioni primarie e K2.

Nel novembre del 2013, gli astronomi hanno riferito (sulla base dei dati della missione spaziale Kepler) che 1 stella su 5 nella via Lattea potrebbe avere pianeti di dimensioni terrestri che orbitano all’interno delle loro zone abitabili-tra 40 e 80 miliardi. Hanno inoltre stimato che il 7-15% di questi pianeti (media di 5,6 miliardi) orbita attorno a stelle simili al Sole-aka. sequenza principale G-tipo nane gialle.

Pianeti Abitabili:

Il primo esopianeta confermato da Kepler di avere una media distanza orbitale che si trova all’interno di zona abitabile della loro stella è Kepler-22b. Questo pianeta si trova a circa 600 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Cigno ed è stato osservato per la prima volta il 12 Maggio, 2009, e poi confermati sul Dec 5, 2011. Sulla base di tutti i dati ottenuti, gli scienziati ritengono che questo mondo sia circa 2,4 volte il raggio della Terra e abbia oceani o un guscio esterno acquoso.

La scoperta di esopianeti ha anche intensificato l’interesse per la ricerca di vita extraterrestre, in particolare per quelli che orbitano nella zona abitabile della stella ospite. Conosciuta anche come” goldilocks zone”, questa è la regione del sistema solare in cui le condizioni sono abbastanza calde (ma non troppo calde) in modo che sia possibile che l’acqua liquida (e quindi la vita) esista sulla superficie del pianeta.

Prima del dispiegamento di Keplero, la stragrande maggioranza degli esopianeti confermati rientrava nella categoria delle dimensioni di Giove o più grandi. Tuttavia, nel corso delle sue missioni, Kepler è riuscito a identificare oltre 6000 potenziali candidati, molti dei quali rientrano nelle categorie di dimensioni della Terra o “Super-Terra”. Molti di questi si trovano nella zona abitabile delle loro stelle madri, e alcuni anche intorno a stelle simili al Sole.

E secondo uno studio condotto dal Centro di ricerca Ames della NASA, l’analisi dei dati della missione Kepler ha indicato che circa il 24% delle stelle di classe M può ospitare pianeti potenzialmente abitabili, di dimensioni terrestri (cioè quelli che sono più piccoli di 1,6 volte il raggio della Terra). Basato sul numero di stelle di classe M nella galassia, questo da solo rappresenta circa 10 miliardi di mondi potenzialmente abitabili, simili alla Terra.

Nel frattempo, le analisi della fase K2 suggeriscono che circa un quarto delle stelle più grandi esaminate potrebbe anche avere un pianeta di dimensioni terrestri in orbita all’interno delle loro zone abitabili. Nel loro insieme, le stelle osservate da Keplero costituiscono circa il 70% di quelle che si trovano all’interno della Via Lattea. Quindi si può stimare che ci siano letteralmente decine di miliardi di pianeti potenzialmente abitabili solo nella nostra galassia.

Metodi di rilevamento:

Mentre alcuni esopianeti sono stati osservati direttamente con i telescopi (un processo noto come “Imaging diretto”), la stragrande maggioranza è stata rilevata attraverso metodi indiretti come il metodo del transito e il metodo della velocità radiale. Nel caso del Metodo di transito (aka. Transit Photometry), un pianeta viene osservato quando attraversa il percorso (cioè transitando) davanti al disco della sua stella madre.

Quando ciò si verifica, la luminosità osservata della stella diminuisce di una piccola quantità. Questo può essere usato per determinare il raggio del pianeta e a volte può consentire di indagare l’atmosfera di un pianeta attraverso la spettroscopia. Tuttavia, soffre anche di un notevole tasso di falsi positivi e richiede che parte dell’orbita del pianeta si intersechi con una linea di vista tra la stella ospite e la Terra.

Di conseguenza, la conferma da un altro metodo è solitamente considerata necessaria. Tuttavia, rimane il metodo più utilizzato ed è responsabile di più scoperte di esopianeti rispetto a tutti gli altri metodi combinati. Sia il telescopio spaziale Kepler che TESS sono stati specificamente progettati per condurre questo tipo di fotometria (vedi sopra).

La Velocità radiale (o metodo Doppler) comporta la misurazione della velocità radiale della stella – cioè la velocità con cui si muove verso o lontano dalla Terra. Il è un mezzo per rilevare i pianeti perché, mentre i pianeti orbitano attorno a una stella, esercitano un’influenza gravitazionale che fa sì che la stella stessa si muova nella sua piccola orbita attorno al centro di massa del sistema. Questo metodo ha il vantaggio di essere applicabile a stelle con una vasta gamma di caratteristiche.

Tuttavia, uno dei suoi svantaggi è che non può determinare la vera massa di un pianeta, ma può solo impostare un limite inferiore su quella massa. Rimane la seconda tecnica più efficace impiegata dai cacciatori di esopianeti. Altri metodi includono Transit Timing Variation (TTV) e Microlensing gravitazionale. Il primo si basa sulla misurazione delle variazioni nei tempi di transito per un pianeta per determinare l’esistenza di altri.

Questo metodo è efficace nel determinare l’esistenza di più pianeti in transito in un sistema, ma richiede che l’esistenza di almeno uno già essere confermata. In un’altra forma del metodo, cronometrare le eclissi in una stella binaria eclissante può rivelare un pianeta esterno che orbita attorno a entrambe le stelle. A partire da febbraio 2020, 21 pianeti sono stati trovati con questo metodo, mentre molti altri sono stati confermati.

Nel caso del Microlensing gravitazionale, questo si riferisce all’effetto che il campo gravitazionale di una stella può avere, agendo come una lente per ingrandire la luce di una stella di sfondo lontana. I pianeti che orbitano attorno a questa stella possono causare anomalie rilevabili nell’ingrandimento nel tempo, indicando così la loro presenza. Questa tecnica è efficace nel rilevare stelle che hanno orbite più ampie (1-10 AUs) da stelle simili al Sole.

Esistono altri metodi, e – da soli o in combinazione – hanno permesso il rilevamento e la conferma di oltre quattromila esopianeti, mentre altri 5.742 candidati attendono la conferma. Di questi, 1473 (34%) sono stati giganti gassosi paragonabili a Nettuno (simile a Nettuno), mentre 1359 (31%) sono stati giganti gassosi paragonabili a Giove (simile a Giove).

Altri 1340 (31%) sono stati pianeti terrestri che sono molte volte più massicci della Terra (Super-Terre) mentre 163 sono stati paragonabili alla Terra in termini di dimensioni e massa (4%). Altri 6 esopianeti sono stati individuati e confermati che rimangono non classificati.

Più vicino alla Terra

Il 24 agosto 2016, l’ESO ha confermato l’esistenza di un esopianeta roccioso di dimensioni terrestri in orbita attorno a Proxima Centauri, una stella di tipo M (nana rossa) situata a 4,25 anni luce di distanza. Questo rende questo particolare esopianeta, noto come Proxima b, è l’esopianeta più vicino alla Terra. Altrettanto importante è il fatto che si ritiene che orbiti all’interno della zona abitabile di Proxima Centauri.

La scoperta è stata fatta dalla campagna Pale Red Dot e da un team di astronomi guidati dal Dr. Guillem Anglada-Escudé della Queen Mary University di Londra. Sulla base di osservazioni effettuate utilizzando gli spettrografi HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) e Ultraviolet and Visual Echelle (UVE) presso l’Osservatorio La Silla dell’ESO e il Very Large Telescope.

Sulla base dei dati ottenuti dalla campagna Pale Red Dot e successive osservazioni, Proxima b è stimata essere 1,2 volte più massiccia della Terra e tra una e 1,3 volte la sua dimensione. Orbita attorno alla sua stella madre ad una distanza di circa 0,05 UA (7,5 milioni di km; 4,6 milioni) e impiega solo 11,2 giorni per completare una singola orbita. Come molti pianeti rocciosi che orbitano attorno a stelle di tipo M, si ritiene che Proxima b sia chiusa a chiave.

Data la natura tenue delle stelle di tipo M e la loro tendenza a produrre potenti razzi, non è chiaro se Proxima b potrebbe mantenere un’atmosfera e acqua liquida sulla sua superficie nel tempo. Sono stati condotti diversi studi e modelli climatici per determinare la probabilità che Proxima b sia in grado di supportare la vita, ma non è emerso alcun consenso scientifico.

Da un lato, diversi studi hanno concluso che l’attività di brillamento solare dalla sua stella ospite avrebbe inevitabilmente spogliato Proxima b della sua atmosfera e irradiato la superficie. Nel frattempo, altre ricerche e modelli hanno scoperto che se Proxima b ha un campo magnetico, un’atmosfera densa e molta acqua superficiale e copertura nuvolosa, le probabilità che sia abitabile sono incoraggianti.

Nel gennaio del 2020, un team di astronomi guidato dall’INAF ha annunciato il possibile rilevamento di un secondo pianeta attorno a Proxima Centauri (utilizzando misurazioni della velocità radiale). Secondo il documento del team di ricerca, le loro misurazioni indicavano la presenza di un mini-Nettuno (Proxima c) in orbita attorno alla sua stella madre ad una distanza di 1,5 UA (~224,4 milioni di km; ~139,4 milioni di mi).

Entro il mese di giugno del 2020, un team di astronomi dell’Università del Texas’ Osservatorio McDonald utilizzato misurazioni della velocità radiale raccolti dal telescopio spaziale Hubble (25 anni fa) per confermare la presenza di Proxima c. La loro ricerca ha inoltre messo inasprimento dei vincoli del pianeta di massa e periodo orbitale, che ora sono stimati a 0.8 Masse di Giove e ~ 1900 giorni, rispettivamente.

Nel dicembre del 2020, gli astronomi del Parkes radio telescope in Australia hanno annunciato il rilevamento di un segnale radio “allettante” proveniente dalla direzione di Proxima Centauri. Il segnale è stato raccolto tra aprile e maggio di 2019 come parte di una campagna di osservazione di ascolto rivoluzionaria. Questo segnale, Breakthrough Listen Candidate 1 (BLC1), è durato per 30 ore e ha mostrato una serie di caratteristiche curiose.

Ad esempio, il segnale era un’emissione a banda stretta estremamente nitida – a 982 megahertz (MHz) – che sembrava subire uno spostamento di frequenza (aka. Doppler shift). Secondo vari astrofisici, questo è coerente con una fonte in movimento (cioè un pianeta in orbita attorno alla sua stella). Tuttavia, la comunità scientifica ha annunciato che è improbabile che il segnale sia diverso dal risultato di fenomeni naturali.

Missioni attuali

Il 18 aprile 2018, la NASA ha lanciato il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) nello spazio. Questa missione ha effettivamente raccolto il sentiero tracciato da Keplero, utilizzando lo stesso metodo ma strumenti superiori per monitorare migliaia di stelle contemporaneamente. Equipaggiato con quattro telescopi grandangolari e rivelatori CCD (Charge-Coupled Device) associati, TESS sta attualmente effettuando il primo spaceborne all-sky transiting exoplanet survey.

La missione primaria di TESS è durata due anni – terminando ufficialmente il 5 luglio 2020 – seguita dalla NASA che ha annunciato un’estensione di 27 mesi il 12 agosto. Per il primo anno della sua missione estesa, TESS osserverà nuovamente l’emisfero dell’eclittica meridionale (che ha monitorato durante la sua missione primaria) e nei prossimi 15 mesi monitorerà l’arte dell’emisfero dell’eclittica settentrionale e ~60% dell’eclittica.

Durante la sua missione primaria, TESS ha scansionato circa il 75% del cielo e ha esaminato 200.000 delle stelle più luminose vicino al Sole per i segni di esopianeti in transito. A partire dal 6 febbraio 2021, la missione TESS ha rilevato un totale di 2.487 esopianeti e confermato 107, che vanno dai candidati terrestri ai super-Jupiter.

Inoltre, l’Osservatorio Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha continuato a monitorare le posizioni precise, i movimenti corretti e le orbite di oltre 1 miliardo di stelle, pianeti, comete, asteroidi e quasar. Questa missione è iniziata nel 2013 (lo stesso anno in cui il telescopio spaziale Herschel dell’ESA è andato in pensione) e la sua missione principale doveva durare cinque anni.

Attualmente, Gaia è in una parte estesa della sua missione che durerà fino al 31 dicembre 2022, anche se si prevede di ricevere un’altra estensione al 31 dicembre 2025. Ad oggi, la missione è stata in funzione continua per 7 anni, 1 mese e 18 giorni e continuerà a mappare il cosmo per creare il catalogo spaziale 3D più grande e preciso mai realizzato.

Un’altra missione di caccia agli esopianeti supervisionata dall’ESA è il satellite CHEOPS (CHaracterising ExOPianets Satellite), che ha lanciato il dic. 18th, 2019, ed è la prima missione di piccola classe nel programma Cosmic Vision Science dell’ESA. Tra ora e la fine della sua missione primaria (prevista per la metà del 2023), CHEOPS studierà esopianeti noti per ottenere stime più accurate sulla loro massa, densità, composizione e formazione.

E, naturalmente, c’è il venerabile Telescopio spaziale Hubble, che è rimasto in funzione per oltre 30 anni! Oltre a fare profonde scoperte che hanno alterato la nostra percezione dell’Universo che ci circonda (come misurare il tasso di espansione cosmica, portando alla teoria dell’Energia Oscura), Hubble ha anche svolto un ruolo vitale nella rilevazione e caratterizzazione degli esopianeti.

Ad esempio, all’inizio della sua missione, Hubble rilevò dischi di detriti attorno a stelle lontane (da cui si formano i pianeti) e sistemi planetari che erano in fase di formazione. Nel frattempo, gli archivi delle osservazioni passate di Hubble hanno permesso agli astronomi di tornare indietro e trovare prove di pianeti che fanno transiti davanti alle loro stelle, oltre a fornire spettri che hanno permesso la caratterizzazione delle atmosfere degli esopianeti.

I molti anni di osservazione di Hubble hanno anche aiutato gli astronomi a conoscere la diversità degli esopianeti e a stabilire il metodo corrente per classificarli. Oltre a tutto ciò, Hubble ha insegnato agli astronomi molto sulla diversità delle stelle madri e su come le loro caratteristiche possono influenzare l’abitabilità di un pianeta.

Missioni future

Nei prossimi anni, diversi telescopi spaziali di nuova generazione saranno inviati nello spazio per aiutare nella caccia in corso di esopianeti abitabili. Il 31 ottobre 2021, il tanto atteso James Webb Space Telescope (JWST) della NASA sarà lanciato nella sua posizione nel punto di Lagrange Sole-Terra L2. Questa missione sarà il telescopio spaziale più grande e sofisticato fino ad oggi e dovrà passare attraverso una complessa fase di dispiegamento una volta che sarà in posizione.

Utilizzando la sua suite ad infrarossi (IR) altamente sofisticata e coronografi che bloccano la luce, il JWST sarà in grado di rilevare esopianeti di massa inferiore che orbitano più vicino alle loro stelle. È qui che si prevede di trovare la maggior parte dei pianeti rocciosi simili alla Terra che orbitano all’interno della zona abitabile di una stella (e sono quindi considerati “potenzialmente abitabili”).

Fino ad ora, i telescopi spaziali esistenti non hanno la risoluzione o la sensibilità per studiare questi pianeti tramite Imaging diretto. Anche i telescopi esistenti non sono stati in grado di ottenere spettri da pianeti più piccoli e rocciosi quando transitano davanti alle loro stelle. Tuttavia, gli strumenti JWST saranno in grado di determinare la composizione chimica delle atmosfere degli esopianeti esaminando quali lunghezze d’onda IR vengono assorbite e/o irradiate.

C’è anche il Nancy Grace Roman Space Telescope, una missione successiva soprannominata la “Madre di Hubble.”Pettinatura a 2.4 metro (ft) specchio primario con lo strumento Wide-Field IR camera, un coronografo, uno spettrometro, e un ampio campo visivo, il telescopio spaziale romano sarà in grado di portare la stessa nitidezza dell’immagine di Hubble ad una zona del cielo 100 volte più grande.

L’ESA sta anche preparando una serie di osservatori di nuova generazione, come il telescopio spaziale PLATONE (PLAnetary Transits and Oscillations of stars). Questa missione osserverà fino a un milione di stelle per i transiti planetari, tenterà di caratterizzare le loro atmosfere e caratterizzerà le stelle misurando le loro oscillazioni. Questa sarà la terza missione di classe media nel programma Cosmic Vision dell’ESA ed è prevista per il lancio nel 2022.

Questa sarà seguita dalla quarta missione media della Cosmic Vision, nota come Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey (ARIEL). Questa missione, che verrà lanciata nel 2029, osserverà almeno 1.000 esopianeti noti mentre transitano davanti alle loro stelle per studiare e caratterizzare la composizione e le strutture termiche delle loro atmosfere.

C’è un intero universo di mondi là fuori da scoprire, e abbiamo appena scalfito la superficie!

L’universo oggi ha molti articoli interessanti sugli esopianeti. Ecco cosa significa ” Earthlike “anche & Dovrebbe applicarsi a Proxima Centauri b?, Concentrandosi sui candidati “Seconda Terra” Nel catalogo Kepler, Nuova tecnica per trovare esopianeti simili alla Terra, esopianeta potenzialmente abitabile confermato intorno alla stella più vicina!, L’indice di abitabilità planetaria propone una vista meno “Terra-centrica” In cerca di vita, gli esopianeti terrestri abitabili potrebbero essere più vicini di quanto pensiamo.

Per ulteriori informazioni, controlla la home page di Kepler alla NASA. Anche la pagina della Planetary Society sugli esopianeti è interessante, così come l’archivio degli esopianeti della NASA, che viene mantenuto con l’aiuto del Caltech.

Astronomia Cast ha un episodio sul tema – Episodio 2: Alla ricerca di altri mondi.