Meteo dell’altro mondo: l’atmosfera degli esopianeti

RICERCANDO ALL’ESTERO – Gli esopianeti sono pianeti che orbitano attorno a una stella diversa dal Sole, quindi sono corpi celesti lontani anni luce dal nostro Sistema Solare. Il primo esopianeta è stato scoperto più di 20 anni fa, nel 1995, e si chiama 51 Pegasi b; oggi (21/08/2018) se ne conoscono 3824 e la ricerca in questo campo è in rapida espansione.

Samuele Crespi è alla NYU di Abu Dhabi per studiare l’atmosfera degli esopianeti attraverso simulazioni al computer.

Come si individua la presenza di un esopianeta?

Ci sono principalmente due metodi, entrambi indiretti cioè permettono di trovare un esopianeta in base agli effetti che provoca sulla stella del sistema che lo ospita.
Il metodo delle velocità radiali si basa sulla terza legge di Newton (ndr a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria) e sull’effetto Doppler: consiste in uno spostamento nello spettro di luce che arriva dalla stella, dovuto alla presenza e al movimento reciproco di un pianeta. Un po’ come il suono dell’ambulanza, che cambia se la sirena si avvicina o si allontana da noi. L’effetto del moto reciproco tra stella e pianeta dipende dalle dimensioni e dalla distanza del pianeta: più un oggetto è lontano, meno influisce sul moto della stella. Se nello spettro di una stella vediamo uno spostamento, allora potrebbe esserci un esopianeta nella vicinanze.
Guardando al Sistema Solare, la presenza di pianeti giganti come Giove avrebbe potuto avere un grande effetto sul moto del Sole ma, poiché sono lontani, la loro reale influenza è bassissima. Fortunatamente, in giro per l’Universo i pianeti giganti gassosi sono molto vicini alla stella del loro sistema e ciò permette di osservare un effetto Doppler piuttosto marcato.

Il metodo del transito dei pianeti funziona un po’ come le eclissi solari: quando i pianeti passano davanti alla stella, il segnale luminoso diminuisce. Ovviamente più i pianeti sono grossi e vicini alla stella, maggiore è il loro effetto.

Una cosa che mi affascina molto nello studio degli esopianeti è che sono stati scoperti così tardi non perché ci mancavano le conoscenze tecnologiche, ma perché gli astronomi avevano sempre considerato il Sistema Solare come qualcosa di tipico e comune nell’Universo. Della serie: se ci sono altri mondi, saranno fatti come casa nostra, non siamo mica tanto speciali. Invece il nostro Sistema Solare è molto particolare ed è grazie alla diversità dei sistemi extrasolari che è possibile una loro osservazione.

C’è un motivo per cui, nei sistemi extrasolari, i pianeti giganti si trovano così vicini alla loro stella?

Mi sono occupato di questo aspetto prima di arrivare ad Abu Dhabi. C’è la questione dei processi di migrazione: i pianeti giganti possono compiere un moto di avvicinamento verso la propria stella e tutto quello che si trova sulla traiettoria viene spazzato via, compresi i pianeti più piccoli. Questo avvicinamento sarebbe potuto succedere anche nel Sistema Solare, con Giove che spazzava via tutto, Terra e Marte compresi, quindi diciamo che nel nostro caso siamo stati fortunati.

Un’altro processo coinvolto è l’incontro con altre stelle: quando due stelle si avvicinano molto, esercitano un’influenza talmente grande sui pianeti presenti nel loro sistema da modificare le orbite. Si possono così verificare urti tra pianeti, alcuni dei quali si spostano di posizione. Nel Sistema Solare ciò non è avvenuto perché il Sole è abbastanza solitario, la stella più vicina è Proxima Centauri ed è comunque troppo lontana per esercitare qualche influenza.

Per quanto riguarda le atmosfere di questi nuovi mondi, come si studiano?

Trovare un gigante gassoso in un sistema extrasolare ha di per sé un grande impatto, ma pensiamo a cosa vorrebbe dire trovare un esopianeta come la Terra, magari con un’atmosfera, acqua, ossigeno! Sarebbe interessante anche dal punto di un’ipotetica colonizzazione di altri mondi.

Per studiare la presenza di un’atmosfera attorno a un pianeta ci sono vari metodi, il principale è ancora una volta quello del transito. Quando c’è un’eclissi, una parte della luminosità della stella viene bloccata dal pianeta ma una parte passa attraverso un’eventuale atmosfera e arriva ai nostri telescopi “modificata”. Per esempio, se c’è ossigeno i fotoni con una certa lunghezza d’onda vengono assorbiti dalle molecole e in corrispondenza di una specifica riga dello spettro vedremo “meno luce”.

Un altro metodo consiste nello studio della luminosità del pianeta durante la sua orbita. Pensiamo alla Luna, a come cambia la sua luminosità nel percorso attorno alla Terra: a volte è piena, a volte c’è solo una falce, a volte è nuova. Allo stesso modo la luce può rimbalzare contro i pianeti e arrivare a noi: in presenza di un’atmosfera, di nuvole o di una superficie ghiacciata (una palla bianca riflette più di una palla nera) ci arriverà “modificata”.

Infine, alcuni pianeti si possono vedere direttamente, distinti dalla propria stella. Sono casi rari e, in genere, riguardano sistemi planetari piuttosto nuovi in cui il calore dovuto alla loro formazione è abbastanza grande da essere rilevato.

Che tipo di simulazioni usi per studiare l’atmosfera di un esopianeta?

Esistono diversi modelli con diversi gradi di precisione. Se volessimo simulare un’atmosfera tenendo conto di tutti i fattori, avremmo bisogno di una quantità di tempo grandissima. Allora ci focalizziamo su poche cose alla volta, per esempio la circolazione dei venti, la circolazione del calore, la presenza di molecole. Partendo dalla mappa del pianeta, creo una griglia e, per ogni cubetto, simulo in maniera sintetica cosa succede e che segnali manderebbe l’atmosfera se fosse fatta in quel modo. Se la simulazione non corrisponde ai dati reali, bisogna modificare i parametri.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Mi piacerebbe studiare l’atmosfera delle super Terre, cioè di quei pianeti extrasolari con un raggio 2-10  più grande di quello della Terra. Ci sono diverse missioni spaziali che renderanno possibili queste ricerche, per esempio quella del JWST (James Webb Space Telescope) dallo spazio e ELT (Extremely Large Telescope) da Terra.

Studiare le super Terre è utile per capire cosa vuol dire abitabilità di un pianeta e per trovare tracce biologiche. Se individuassimo pianeti con una biosfera o con stagioni potremmo per mandare delle sonde per vedere come sono fatti. Che poi, parliamo sempre di pianeti, ma perché non guardare le lune? I pianeti giganti hanno tante lune, magari alcune sono abitabili.
E qui si aprono tutti gli scenari della fantascienza.

Nome: Samuele Crespi
Età: 29 anni
Nato a: Tradate (VA)
Vivo a: Abu Dhabi (Emirati Arabi Uniti)
Dottorato: in corso, astrofisica (Abu Dhabi)
Ricerca: modellizzazione e simulazione di spettri da atmosfere di esopianeti
Istituto: NYU, New York University Abu Dhabi (Emirati Arabi Uniti)
Interessi: apnea, i fumetti e i film della Marvel, videogame, numismatica, acquariofilia
Di Abu Dhabi mi piace: la gentilezza delle persone, il clima rilassato
Di Abu Dhabi non mi piace: la società è a classi, il clima d’estate
Pensiero: Non si vede bene che col cuore, l’essenziale è invisibile agli occhi. (Antoine de Saint-Exupéry, Il piccolo principe)

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