La migrazione violenta dei giganti caldi

Rappresentazione artistica di un gioviano caldo. Crediti: NASA/ESA
Rappresentazione artistica di un gioviano caldo. Crediti: NASA/ESA

Un lavoro durato oltre due anni e che fornisce il più grande campione di sistemi in transito con parametri orbitali e fisici determinati in modo omogeneo. Un team di ricercatori del programma osservativo GAPS porta a casa un risultato importante sulla migrazione dei giganti gassosi.

Duecentotrentuno pianeti giganti gassosi in transito: è il più grande campione di oggetti transitanti con parametri orbitali e fisici determinati in modo omogeneo in oltre due anni di lavoro da un gruppo di astronomi del programma osservativo GAPS  Global Architecture of Planetary Systems – coordinati da Aldo Bonomo dell’INAFOsservatorio Astrofisico di Torino. Per 45 dei 231 sistemi planetari che orbitano attorno alle stelle più brillanti del campione, il team GAPS ha ottenuto quasi 800 nuove misure di velocità radiale di alta precisione con HARPS-N (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere), il potente cacciatore di pianeti extrasolari montato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG), con un duplice scopo: migliorare la misura dei parametri orbitali e fisici dei pianeti giganti già noti e cercare nuovi pianeti a maggiori distanze orbitali. E ciò al fine di capire meglio la formazione e la migrazione dei pianeti giganti.

Uno degli argomenti più discussi riguarda il modo in cui i pianeti gioviani caldi (hot Jupiters), che si trovano a distanze di qualche centesimo della distanza Terra-Sole dalle loro stelle e hanno pertanto temperature superiori ai 1000° C, sono arrivati dove li osserviamo oggi. “Questi pianeti devono essersi formati molto più lontano dalla stella, probabilmente oltre la snowline, cioè la linea di condensazione dell’acqua nel disco proto-planetario dove c’era molta più abbondanza di materiale solido per formare i nuclei di questi pianeti e, successivamente, sono migrati verso la stella madre” racconta Aldo Bonomo, primo autore di questo studio accettato per pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

Si pensa che due siano i meccanismi di migrazione più importanti: il primo prevede una migrazione “tranquilla” nel disco che avviene per interazione tra il pianeta e il disco proto-planetario e al termine della quale il pianeta potrebbe giungere fino a distanze molto prossime alla stella su un’orbita circolare o con eccentricità molto piccola; il disco tende infatti a smorzare qualunque eccentricità elevata. Il secondo meccanismo, definito migrazione ad alta eccentricità (High Eccentricity Migration, HEM), è invece un tipo di migrazione “violenta”: dopo la dissipazione del disco proto-planetario, fra i pianeti giganti che si sono formati avrebbero luogo delle interazioni gravitazionali per le quali il pianeta più interno sopravvissuto ad esse verrebbe a trovarsi su un’orbita molto eccentrica. Tale pianeta migra in seguito verso la stella per dissipazione di energia orbitale dovuta ad effetti mareali al periastro, ovvero alla distanza minima dalla stella lungo la sua orbita eccentrica. Tale dissipazione mareale porta anche ad una progressiva circolarizzazione dell’orbita eccentrica (ovvero l’orbita da ellittica tende a diventare circolare).

“In questo studio mettiamo in evidenza come, per questo campione di giganti gassosi che non hanno altri pianeti vicini, il meccanismo di migrazione violenta per alta eccentricità sembra essere dominante” ci spiega Aldo Bonomo. “Tuttavia, alcuni pianeti giganti caldi sono verosimilmente migrati anche per interazioni con il disco”.

Il diagramma mostra l’andamento dell’eccentricità in funzione del periodo orbitale per i pianeti del campione studiato con eccentricità ben determinate. Crediti: A. Bonomo et al.
Il diagramma mostra l’andamento dell’eccentricità in funzione del periodo orbitale per i pianeti del campione studiato con eccentricità ben determinate. Crediti: A. Bonomo et al.

La figura qui sopra mostra come varia l’eccentricità in funzione del periodo orbitale per il sottocampione dei 231 pianeti avente l’eccentricità ben determinata: i triangoli neri, i cerchi arancioni e i quadrati blu indicano rispettivamente i pianeti con orbite circolari (eccentricità e=0), orbite leggermente eccentriche (0<e<0.1) ed eccentricità elevate (e>0.1). “Questo diagramma mostra proprio l’effetto che ci aspettiamo dalla migrazione ad alta eccentricità. Infatti, i pianeti più vicini alle loro stelle, ovvero con periodi orbitali più brevi (per la terza legge di Keplero), hanno orbite circolari o piccole eccentricità perché gli effetti mareali sono più forti al diminuire della distanza pianeta-stella. I pianeti più lontani e dunque con periodi orbitali più lunghi mantengono invece un’orbita notevolmente eccentrica che la migrazione nel disco non può spiegare.”

In un lavoro recente in fase di pubblicazione e guidato da Massimiliano Esposito dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte [1], il team GAPS ha mostrato che la migrazione violenta HEM può portare anche a disallineamenti dell’orbita planetaria rispetto al piano equatoriale della stella, ma “interazioni mareali stella-pianeta possono successivamente riallineare l’orbita, in modo simile a quanto avviene con la circolarizzazione di orbite eccentriche, anche se con tempi scala diversi” afferma Massimiliano Esposito.

L’analisi omogenea dei 231 sistemi in transito mette in luce anche un altro risultato interessante, ovvero l’assenza di pianeti massivi (con masse all’incirca maggiori di 3 masse gioviane) su orbite circolari e prossime alla stella. “Una delle spiegazioni plausibili per tale assenza è che questi pianeti, in virtù della loro massa, abbiano generato delle maree sulla stella di intensità così grande che, per scambio di momento angolare, potrebbero essere stati ingoiati dalla stella” racconta Aldo Bonomo. “In altre parole, pianeti così massivi potrebbero essere esistiti ma ora non li vediamo più”.

Numerose restano le questioni aperte, ad esempio qual è la frazione di pianeti giganti che, migrando verso la stella, finiscono per esserne fagocitati; qual è il meccanismo dominante nel produrre HEM (planet-planet scattering, perturbazioni di tipo Kozai-Lidov, caos secolare, ecc.); o ancora, qual è l’effetto della migrazione dei giganti gassosi sulla presenza di pianeti terrestri nella zona di abitabilità della stella. Simulazioni dinamiche mostrano infatti che la migrazione violenta HEM ha conseguenze deleterie per l’esistenza di pianeti rocciosi potenzialmente abitabili, rimuovendo il materiale roccioso necessario per la loro formazione oppure spingendo tali pianeti a collidere con la stella o, al contrario, fuori dal sistema planetario.

Per dare risposta a queste domande fondamentali il team GAPS ha realizzato lo strumento GIARPS al TNG, ottimizzato per la ricerca e caratterizzazione di pianeti attorno a stelle giovani. Nuovi e intriganti risultati sulla formazione e migrazione planetaria ci attendono nel prossimo futuro!

 

Leggi su ArXiV l’articolo: A. S. Bonomo et al., The GAPS Programme with HARPS-N@TNG. XIV. Investigating giant planet migration history via improved eccentricity and mass determination for 231 transiting planets.

[1] Massimiliano Esposito et al., The GAPS Programme with HARPS-N at TNG. XIII. The orbital obliquity of three close-in massive planets hosted by dwarf K-type stars: WASP-43, HAT-P-20 and Qatar-2, Astronomy & Astrophysics.

Pubblicato su Media INAF: La migrazione violenta dei giganti caldi 

 

12° puntata radiofonica, un gigante blu

Rappresentazione artistica del pianeta HD 189733 A b, un pianeta blu Credit: ESO/M. Kornmesser
Rappresentazione artistica del pianeta HD 189733 A b, un pianeta blu Credit: ESO/M. Kornmesser

Tra la molteplicità dei pianeti finora scoperti, tra i giganti gassosi, le Super-Terre, i pianeti piccoli e rocciosi, di cui alcuni caldissimi, altri completamente ghiacciati o ricoperti di acqua, c’è un pianeta estremamente familiare a noi, perché completamente blu. Blu come la nostra casa.

Questo mondo blu, HD 189733 Ab, a parte il colore, non ha altre caratteristiche in comune con la Terra. HD 1899733 A b, in effetti, è un gigante gassoso estremamente caldo,  tanto che le temperature arrivano a superare i 1000 gradi centrigradi. Inoltre, i risultati sembrano confermare la presenza sulla sua superficie di periodici diluvi torrenziali che non sono fatti di “pura” acqua, bensì di vetro liquido! In altre parole, sembra vero il detto che “le apparenze, a volte, ingannano”. E su questo  mondo, questo sembra proprio così.

Francesco Borsa dell’INAFOsservatorio Astronomico di Brera, Milano, descrive questo mondo “apparentemente gemello” nelle sfumature di colore, al nostro pianeta ma, in realtà, profondamente diverso.

In queste dodici puntate radiofoniche è stato possibile esplorare mondi completamente eterogenei, dando una risposta, anche se non sempre definitiva, ai quesiti che da sempre stimolano la curiosità e la sete di conoscenza umana: che tipo di pianeti abbiamo scoperto? Ci sono altri mondi come la Terra? E, soprattutto, c’è vita nell’universo?

Allo stato attuale delle ricerche non abbiamo ancora una risposta chiara e certa a questa domanda, ma, per la prima volta nella storia, mai come ora siamo così vicini alla soluzione.

11° puntata radiofonica, il pianeta della porta accanto

Rappresentazione artistica della superficie di Proxima b e di un ipotetico tramonto su questo pianeta. Crediti: ESO/M. Kornmesser
Rappresentazione artistica della superficie di Proxima b e di un ipotetico tramonto su questo pianeta. Crediti: ESO/M. Kornmesser

Alpha Centauri sembra quasi uscito da un film di fantascienza. Anzi, è qualcosa di meglio.

È il sistema stellare più vicino al nostro Sistema Solare, dato che si trova a soli 4,2 anni luce di distanza. In particolare, è formato da due stelle che si trovano in orbita una attorno all’altra e da una terza stella, Proxima Centauri, che orbita attorno ad entrambe le altre stelle. Questo fa di Proxima Centauri la stella più vicina al Sole.

Ma c’è di più. E’ probabile che Proxima Centauri possieda un pianeta roccioso simile alla Terra. Se confermato, diventerebbe il pianeta più vicino a noi.

Proxima b, proprio per questa sua vicinanza, ha buone possibilità di monopolizzare l’attenzione, ma anche le risorse, di ogni programma osservativo dedicato allo studio dei pianeti extrasolari. Per il momento, tutto è prematuro, anche se scoperte di questo tipo stimolano i ricercatori a “investigare” scenari simili intorno ad altre stelle, relativamente vicine al nostro Sole, e magari tra questi nuovi mondi potrebbe celarsi quello adatto alla vita, un pianeta gemello della Terra.

In questa penultima puntata di AltriMondi – Alla Ricerca di Una Nuova Terra, Stefano Cristiani dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Trieste descrive le caratteristiche del sistema planetario “della porta accanto”.

10° puntata radiofonica, il pianeta dalla notte eterna

Rappresentazione artistica di un pianeta privo della sua stella. Crediti: NASA/JPL-Caltech.
Rappresentazione artistica di un pianeta privo della sua stella. Crediti: NASA/JPL-Caltech.

Chiudete gli occhi. Immaginate di vivere in un mondo completamente buio, una notte eterna fatta di tenebre impenetrabili. Un pianeta senza alcuna stella a illuminarlo.

È questo il caso di PSO J318.5-22 un pianeta solitario, che fluttua isolato, un pianeta orfano, privo della propria stella madre.

Questo nuovo mondo è stato scoperto con la tecnica dell’osservazione diretta, ha mostrato un pianeta gigante gassoso, simile a Giove del nostro Sistema Solare, ancora nelle fasi iniziali della sua evoluzione.  Per questo il suo interno è ancora estremamente caldo, e tale calore interno fa sì che la sua temperatura superficiale superi gli 800 gradi centigradi. A questa temperatura è plausibile pensare che le nubi che avvolgono il pianeta siano formate da materiale fuso, probabilmente una miscela di silicati e ferro.

Mondi isolati come questo non sono rappresentativi di ciò che andiamo cercando, non potranno mai essere simili alla nostra Terra ma, grazie al loro studio, è possibile ottenere informazioni e nuove tecniche per capire dove e come cercare pianeti abitabili come il nostro.

Mariangela Bonavita che lavora presso l’istituto di Astrofisica dell’Università di Edimburgo in questa puntata racconta e descrive le caratteristiche e le tecniche che hanno permesso di trovare un mondo lontano disperso nello spazio.

9° puntata radiofonica, fotografando un pianeta

Rappresentazione artistica del sistema planetario HR 8799 in una fase precoce della sua evoluzione, con in primo piano il pianeta HR 8799c, il disco di gas e polveri e i pianeti più interni. Crediti: Dunlap Institute (per Astronomy & Astrophysics), Mediafarm.
Rappresentazione artistica del sistema planetario HR 8799 in una fase precoce della sua evoluzione, con in primo piano il pianeta HR 8799c, il disco di gas e polveri e i pianeti più interni. Crediti: Dunlap Institute (per Astronomy & Astrophysics), Mediafarm.

Sapete qual è uno dei sogni nel cassetto di un astronomo? Poter osservare direttamente un pianeta attorno alla propria stella, magari lontano anni luce da noi.

Fino a poco tempo fa questo risultava effettivamente una possibilità irrealizzabile. Oggi, invece, questo sogno è diventato realtà.

Per la prima volta nello studio dei sistemi planetari sono stati osservati in modo diretto non uno, bensì quattro pianeti orbitanti attorno alla loro stella madre. Il sistema planetario, chiamato HR 8799, è estremamente interessante perché, oltre ad essere formato da quattro pianeti gassosi, come nel nostro Sistema Solare, presenta anche due fasce di polveri e asteroidi, il che rende tale somiglianza ancora più evidente.

Immagini del sistema HR 8799 con il suo sistema di pianeti  bcde indicati con i cerchi bianchi, nella bande 1,65 e 3,3 micron. Crediti: LBT. Andrew J. Skemer et al., First Light LBT AO Images of HR 8799 bcde at 1.65 and 3.3 Microns: New Discrepancies between Young Planets and Old Brown Dwarfs, arXiv:1203.2615 [astro-ph.EP] (or arXiv:1203.2615v2 [astro-ph.EP] for this version).
Immagini del sistema HR 8799 con il suo sistema di pianeti bcde indicati con i cerchi bianchi, nella bande 1,65 e 3,3 micron. Crediti: LBT.
Andrew J. Skemer et al., First Light LBT AO Images of HR 8799 bcde at 1.65 and 3.3 Microns: New Discrepancies between Young Planets and Old Brown Dwarfs, arXiv:1203.2615 [astro-ph.EP] (or arXiv:1203.2615v2 [astro-ph.EP] for this version).

Gli studi su questo sistema planetario sono solo all’inizio, ma la nuova strumentazione e lo studio costante di questi nuovi mondi permetteranno di progredire nella ricerca degli elementi affini al nostro Sistema Solare. E chissà, forse di scoprire che HR 8799 nasconde una nuova Terra.

In questa puntata di AltriMondi. Alla ricerca di una nuova Terra, Silvano Desidera, dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, descrive il sistema planetario HR 8799 rivelando le sue caratteristiche e i metodi utilizzati per rivelare in modo diretto quattro nuovi pianeti attorno alla stella madre.