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Il sistema planetario Kepler-37 (lillipuziani caldi alla riscossa)

22 Feb 2013 07:52 PM – Michele Diodati

Kepler-37 è una stella di sequenza principale, di età raggio e massa relativamente simili al Sole, situata nella costellazione della Lira (la stessa della brillante Vega) a una distanza di circa 215 anni luce dalla Terra. Intorno a questa stella di magnitudine apparente 9,7, il telescopio spaziale Keplero ha scoperto la presenza di quattro possibili pianeti.

Kepler-37 è la stella evidenziata dal cerchio giallo in questo campo stellare ripreso dalla Digitized Sky Survey. Cortesia: DSS2

Kepler-37 è la stella evidenziata dal cerchio giallo in questo campo stellare ripreso dalla Digitized Sky Survey. Cortesia: DSS2

Di questi quattro, uno (KOI-245.04) si è rivelato un falso positivo: il segnale che era stato interpretato inizialmente come un transito planetario, è divenuto in seguito più debole e confuso, sicché gli astronomi ritengono probabile che si sia trattato di un fenomeno occasionale dovuto o all'attività stellare di Kepler-37 o a un momentaneo calo di sensibilità dei rilevatori del telescopio. Gli altri tre pianeti sono stati però confermati e formano un sistema planetario dalle caratteristiche piuttosto insolite.

Secondo i dati contenuti in uno studio pubblicato online su Nature il 20 febbraio 2013, il primo dei tre pianeti, Kepler-37b, è il più piccolo esopianeta tra quelli finora scoperti. Il suo diametro, infatti, è di appena 3.865 km (circa il 30 per cento del diametro terrestre): poco più grande della Luna e più piccolo anche di Mercurio. Dista soltanto 15 milioni di km dalla sua stella e ha un periodo orbitale di 13,36 giorni.

Una rappresentazione artistica di Kepler-37b. Cortesia: NASA/Ames/JPL-Caltech

Una rappresentazione artistica di Kepler-37b. Cortesia: NASA/Ames/JPL-Caltech

Con una temperatura superficiale calcolata intorno a 700 gradi Kelvin, sufficiente per fondere lo zinco, l'eventuale atmosfera e le altrettanto eventuali riserve d'acqua del pianetino sarebbero state annientate già nei primi milioni di anni dopo la sua formazione, se la distanza dalla stella non è cambiata nel corso del tempo. Si tratta in tal caso di una scomparsa remotissima, dato che l'età di Kepler-37 è stimata approssimativamente in sei miliardi di anni (è una stella più vecchia del Sole).

Ma potrebbe anche essere accaduto che Kepler-37b sia migrato verso la stella in epoca successiva, dopo essersi formato in una regione più remota e fredda. La perdita dell'atmosfera e dell'acqua deve essere avvenuta in ogni caso in tempi astronomici molto rapidi, una volta che il pianeta si è venuto a trovare tanto vicino alla stella da non poter sfuggire al bombardamento dei suoi raggi ultravioletti più energetici. Comunque sia andata, questo piccolo pianeta è oggi certamente un corpo infuocato, molto probabilmente roccioso, arido e inospitale per qualsiasi forma di vita a noi nota.

Il secondo pianeta del sistema, Kepler-37c, ha un periodo orbitale di 21,3 giorni e dista 20,5 milioni di km dalla sua stella. Con un diametro di 9.465 km, è una via di mezzo tra Marte e la Terra. Il terzo pianeta, Kepler-37d, è un po' più lontano e più grande: il suo anno dura 39,7 giorni, dista 31,1 milioni di km dalla stella e ha un diametro quasi esattamente doppio di quello della Terra (25.384 km).

L'intero sistema è dunque racchiuso in uno spazio ben più piccolo dell'orbita di Mercurio nel sistema solare, a dimostrazione della grande varietà di configurazioni planetarie che esistono "là fuori": una varietà che stiamo appena cominciando a intravedere, grazie ai transiti planetari scorti dal telescopio Keplero. Tutti e tre i pianeti sono così vicini alla loro stella, da rendere estremamente difficile la presenza di condizioni anche lontanamente compatibili con una vita di tipo terrestre.

Comparazione tra le dimensioni dei pianeti del sistema Kepler-37 e quelle dei pianeti interni del sistema solare. Cortesia: NASA/Ames/JPL-Caltech

Comparazione tra le dimensioni dei pianeti del sistema Kepler-37 e quelle dei pianeti interni del sistema solare. Cortesia: NASA/Ames/JPL-Caltech

La cosa rimarchevole di questo sistema planetario sono le ridotte dimensioni dei suoi pianeti, in particolare di Kepler-37b, un lillipuziano poco più grande della nostra Luna. La sua scoperta lascia supporre che esista una numerosa schiera di pianeti piccoli che attendono ancora di essere individuati e fa ben sperare per la scoperta di pianeti di dimensione terrestre, situati nella zona abitabile di stelle di tipo solare.

Ma come si è arrivati a determinare con tale precisione la grandezza, o meglio la piccolezza, di Kepler-37b? La durata e la profondità della piccola eclisse causata dal transito del pianeta davanti al disco della stella sono i fattori chiave che consentono ai ricercatori di ricavare i principali parametri planetari. Ma, per ottenere il raggio del pianeta, bisogna conoscere prima il raggio della stella.

Nel caso di Kepler-37, il gruppo di astronomi che ha studiato il sistema ha potuto determinare il raggio della stella con un margine di errore di appena il 3 per cento, servendosi dell'astrosismologia. In breve, l'energia termica prodotta nella stella viene convertita periodicamente in energia cinetica: ciò produce delle oscillazioni analoghe a quelle rilevate dai sismografi nei terremoti terrestri. Una stella, insomma, risuona come uno strumento musicale e il modo in cui risuona è strettamente legato alla sua composizione interna e alle sue dimensioni. Le oscillazioni producono lievi variazioni di luminosità, che le curve di luce registrate dal telescopio Keplero permettono di studiare in dettaglio. Grazie al fatto che Kepler-37 è una stella molto tranquilla, poco soggetta a variazioni casuali della luminosità dovute all'attività superficiale, è stato possibile isolare con grande chiarezza le variazioni periodiche causate dalla sua attività interna.

I modi di oscillazione di Kepler-37, visibili nel grafico, hanno consentito grazie all'astrosismologia di determinare con precisione il raggio della stella. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

I modi di oscillazione di Kepler-37, visibili nel grafico, hanno consentito grazie all'astrosismologia di determinare con precisione il raggio della stella. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Dalla frequenza delle oscillazioni di Kepler-37, unita alla conoscenza della sua temperatura effettiva e della metallicità, ottenute per mezzo della spettroscopia, si è riusciti a derivare con grande precisione il raggio stellare, che è risultato pari a 0,770 ± 0,026 raggi solari (mentre la massa è stata calcolata in 0,802 ± 0,068 masse solari, segno di una densità lievemente maggiore di quella del Sole). Dalla misura del diametro del disco di Kepler-37, pari a poco più di un milione di chilometri, è stato possibile ricavare infine il raggio dei tre pianeti in orbita intorno alla stella, grazie alle caratteristiche dei transiti osservati dal telescopio Keplero.

Le eclissi generate dai transiti del tre pianeti del sistema Kepler-37 nelle curve di luce del telescopio Keplero. La curva in alto è quella di Kepler-37b, il pianeta più piccolo, la seconda quella di Kepler-37c e l'ultima quella di Kepler-37d, il pianeta più grande. Come è facile notare, la profondità del transito (espressa nel grafico in parti per milione) è tanto maggiore quanto più grande è il pianeta transitante. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Le eclissi generate dai transiti del tre pianeti del sistema Kepler-37 nelle curve di luce del telescopio Keplero. La curva in alto è quella di Kepler-37b, il pianeta più piccolo, la seconda quella di Kepler-37c e l'ultima quella di Kepler-37d, il pianeta più grande. Come è facile notare, la profondità del transito (espressa nel grafico in parti per milione) è tanto maggiore quanto più grande è il pianeta transitante. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Un problema non indifferente nello studio di Kepler-37 è stato quello di trovare una conferma sperimentale dell'esistenza dei tre pianeti, per mezzo di strumenti diversi dal telescopio Keplero. Le osservazioni eseguite con lo spettroscopio HIRES del telescopio Keck I hanno escluso variazioni della velocità radiale maggiori di 7 metri al secondo fino a periodi di 500 giorni. Ma le perturbazioni prodotte sulla stella da tre pianeti così piccoli sono ben al di sotto della soglia dei 7 metri al secondo. Il margine di errore tipico ottenuto dai ricercatori, considerando l'attività stellare e gli errori sistematici attribuibili allo strumento, è stato di 2,4 metri al secondo: un valore ancora troppo elevato per consentire di usare le misure della velocità radiale di Kepler-37 per ottenere una conferma dell'esistenza dei tre pianeti.

Non potendo usare la velocità radiale, gli astronomi hanno deciso allora di monitorare la stella con una nutrita schiera di telescopi e poi di applicare dei metodi statistici, per escludere, nei limiti del possibile, che i transiti osservati da Keplero fossero dei falsi positivi. Le ipotesi alternative prese in considerazione sono state tre:

  • due stelle binarie che si eclissano a vicenda, poste sullo sfondo di Kepler-37 ma sulla stessa linea visuale, sovrapposte in modo che la loro luce non possa essere separata da quella della stella studiata;

  • una stella di sfondo transitata da un pianeta, sovrapposta alla linea visuale di Kepler-37;

  • una compagna binaria di Kepler-37, transitata da un pianeta e otticamente non separabile da Kepler-37.

La strategia messa in campo ha dato i suoi frutti. In particolare, per il pianeta più grande, Kepler-37d, è risultato che l'unico scenario alternativo compatibile con i dati accumulati è quello di un pianeta transitante una stella di sfondo di sequenza principale, appartenente ai tipi G o K, con una velocità radiale pressoché uguale a quella di Kepler-37, una magnitudine non distante più di tre magnitudini da quella di Kepler-37, ma allo stesso tempo non visibile nelle immagini ad alto contrasto ottenute da vari osservatori. Le probabilità che questo scenario corrisponda alla realtà sono risultate nell'ordine di una su dieci miliardi. Per farla breve, considerando tutti i fattori statistici significativi, tra cui la probabile co-planarità delle orbite dei tre pianeti del sistema Kepler-37 e la frequenza relativa di pianeti con grandezze simili in tutto il campione di stelle osservate dal telescopio spaziale, è risultato che i tre pianeti sono confermati con un indice di confidenza pari al 99,95 per cento.

Un transito di Kepler-37d osservato nell'infrarosso a 4,5 micron con il telescopio spaziale Spitzer. La linea rossa nella metà inferiore del grafico è la miglior interpretazione dei dati di Spitzer e corrisponde al valore atteso in base alle osservazioni del telescopio Keplero entro un margine di errore di 1-sigma. La non variabilità del transito a differenti lunghezze d'onda conferma che Kepler-37d è un oggetto planetario, il cui passaggio blocca temporaneamente parte della luce stellare. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Un transito di Kepler-37d osservato nell'infrarosso a 4,5 micron con il telescopio spaziale Spitzer. La linea rossa nella metà inferiore del grafico è la miglior interpretazione dei dati di Spitzer e corrisponde al valore atteso in base alle osservazioni del telescopio Keplero entro un margine di errore di 1-sigma. La non variabilità del transito a differenti lunghezze d'onda conferma che Kepler-37d è un oggetto planetario, il cui passaggio blocca temporaneamente parte della luce stellare. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Un'ultima cosa degna di nota riguardo la scoperta di questi tre pianeti è che essa è stata parzialmente finanziata da comuni cittadini. La NASA infatti non copre le spese delle ricerche di astrosismologia. In luogo della NASA, interviene a finanziarle un'organizzazione no-profit chiamata White Dwarf, che ha lanciato un progetto aperto al pubblico di Internet, il Pale Blue Dot project. Chiunque può scegliere una stella da adottare tra quelle osservate dal telescopio spaziale Keplero e contribuire con una donazione online a partire da 10 dollari. Con questo sistema sono state già raccolte alcune decine di migliaia di dollari e, guarda un po', Kepler-37 era proprio una delle stelle adottate (da un certo Serge). Un modo intelligente per rendere il progresso della conoscenza scientifica sempre più condiviso e collaborativo.

I parametri stellari e planetari del sistema Kepler-37 pubblicati su <i>Nature</i>. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

I parametri stellari e planetari del sistema Kepler-37 pubblicati su Nature. Cortesia: Nature (2013) doi:10.1038/nature11914

Riferimenti

Tag: articoli, Kepler-37, esopianeti, telescopio spaziale keplero, metodo del transito

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