La caccia ai pianeti extrasolari

Gli astronomi fin dai tempi più antichi si sono interrogati sulla possibilità che, oltre a quelli presenti nel nostro Sistema Solare, potessero esistere altri pianeti eventualmente abitati da esseri intelligenti. Il filosofo e letterato Giordano Bruno, per aver azzardato una tale ipotesi, fu accusato di eresia e arso vivo dalla Santa Inquisizione nel 1600.

LE DIFFICOLTÀ DELLE OSSERVAZIONI

La ricerca di pianeti extrasolari è ancora più complicata di quella degli invisibili buchi neri: tant’è che fino da quando il problema si pose le difficoltà che si incontravano erano molteplici e riguardavano soprattutto le notevoli differenze dei parametri fisici che caratterizzano i corpi celesti sui quali dovevano essere effettuate le osservazioni: si trattava infatti di mettere a confronto un corpo molto piccolo e poco luminoso (il pianeta) con uno molto grande e molto luminoso (la stella) intorno a cui il primo ruotava a breve distanza. Dopo svariati tentativi andati a vuoto, solo negli ultimi vent’anni la strumentazione si è dimostrata idonea per ottenere qualche risultato concreto.

Cerchiamo ora di analizzare nel dettaglio alcune delle differenze dei parametri fisici relativi ai corpi celesti cominciando dal contrasto di luminosità. La stella appare mediamente un miliardo di volte più brillante del pianeta che le staziona in vicinanza e quindi quest’ultimo risulta invisibile perché immerso in una luce abbagliante. Se però l’osservazione venisse fatta, invece che nel visibile, nella regione infrarossa allora si noterebbe che la differenza di luminosità fra i due corpi sarebbe di sole diecimila volte: un valore ancora molto alto, ma che tuttavia, nei casi più favorevoli, permetterebbe di distinguere il pianeta dalla stella.

I due corpi celesti, inoltre, sono spesso talmente vicini che neppure il potere risolutivo dei grandi telescopi professionali riesce a separarli. Ad esempio, un pianeta come Giove posto a dieci parsec di distanza (circa 32 anni luce) lo si vedrebbe separato dal Sole di solo mezzo secondo d’arco, quindi praticamente a contatto stretto con la stella e appena distinguibile da essa; e dieci parsec è una distanza minima nell’enorme spazio cosmico.

Infine, se il rapporto tra la massa della stella centrale e quella di un pianeta come Giove è intorno a 1000, rispetto alla Terra esso è più di 300.000 e pertanto le perturbazioni gravitazionali che un pianeta come il nostro eserciterebbe su di una stella di media grandezza sarebbero irrilevanti. Questo è anche il motivo per il quale fino ad ora sono stati individuati solo pianeti di notevoli dimensioni e posizionati molto vicini alla stella intorno alla quale orbitano.

LA SCOPERTADEI PRIMI PIANETI EXTRASOLARI

Descriviamo ora, per sommi capi, quale sia stato l’iter che ha portato alla scoperta dei primi pianeti extrasolari. Possiamo fare iniziare la nostra indagine storica dal 1980 quando fu notato, intorno alla stella Beta Pictoris, un disco di gas e polveri (che in gergo viene definito “disco di accrescimento”) ritenuto la prova fondamentale dell’esistenza di un sistema planetario in via di formazione. Questa osservazione era conforme al modello che spiegava l’origine del nostro Sistema Solare: tale modello immagina infatti il formarsi di pianeti per condensazione e aggregazione a partire da nubi di gas e polveri della stessa materia interstellare che aveva dato vita alla stella intorno a cui i medesimi pianeti orbitano.

Però la scoperta di pianeti extrasolari si realizzò concretamente solamente nel 1993 quando Aleksander Wolszczan, un astronomo polacco, osservò dei corpi celesti attorno ad una pulsar (ossia ad una stella di neutroni in rotazione). L’emissione di una pulsar è costituita da una successione di impulsi radio regolari il cui ritmo è determinato dalla sua velocità di rotazione. L’astronomo polacco individuò piccoli disturbi nella uniformità di questo segnale causati presumibilmente dall’attrazione gravitazionale di due o tre pianeti posti in vicinanza del corpo centrale. In realtà studi più approfonditi del fenomeno portarono alla conclusione che forse poteva trattarsi non di pianeti, ma di masse paragonabili a nane brune, cioè a piccole stelle formatesi in modo diverso da come si formano normalmente i pianeti. Gli astronomi ipotizzarono infatti che quei corpi celesti potessero essere frammenti prodotti dalla stessa supernova che originò la pulsar.

Nonostante questi primi segnali, in verità, fino al 1995 nessuno era riuscito a trovare la prova della presenza di pianeti veri e propri al di fuori del Sistema Solare. Il 6 ottobre di quell’anno fu data notizia della prima scoperta di un pianeta extrasolare, avvenuta all’inizio dell’anno, da parte dell’astronomo svizzero Michel Mayor, aiutato dal suo studente Didier Queloz. Egli osservò che, orbitante intorno alla 51 Pegasi (una stella simile al Sole), vi era un pianeta la cui massa ammontava a circa il doppio di Giove e stazionava su di un’orbita più stretta di quella di Mercurio. Questo grosso pianeta orbitante molto vicino alla stella, con la sua presenza, spostava leggermente la traiettoria della stella stessa.

Dopo questa prima scoperta, nell’aprile dello stesso anno, venne individuato, da parte di un gruppo di scienziati americani, un sistema solare composto da tre pianeti che si muovevano intorno alla stella Ypsilon della costellazione di Andromeda, un astro distante da noi 44 anni luce (circa quattrocentomila miliardi di kilometri). Due di questi pianeti erano grandi il doppio di Giove, mentre il terzo era solo un po’ più piccolo ma talmente vicino al suo Sole che in 24 ore gli girava intorno quattro o cinque volte. L’importanza di quest’ultima scoperta a cui seguirono altre dello stesso tipo stava nel fatto che essa rappresentava la conferma dell’esistenza di altri sistemi solari simili al nostro e ciò faceva aumentare la probabilità che si potessero trovare altri pianeti abitabili come quello in cui viviamo. Come è noto, la speranza di entrare in contatto con una qualche forma di intelligenza aliena è il sogno segreto degli astronomi che sono impegnati nella ricerca di pianeti extrasolari.

I PRINCIPALI METODI DI RICERCA

Come abbiamo accennato, i primi pianeti extrasolari vennero scoperti a partire dagli an-ni Novanta del secolo scorso grazie al continuo miglioramento della tecnica dei telescopi, dei computer e dei relativi software per l’analisi delle immagini; un vero e proprio salto di qualità, peraltro, si ottenne con l’utilizzo dell’Hubble, il celebre telescopio spaziale ottico operante al di fuori dell’atmosfera terrestre.

La tecnologia impiegata ha consentito di ottenere misure accurate soprattutto del moto proprio delle stelle e dell’influenza dei pianeti su di esso. Il metodo più fruttuoso per individuare un pianeta, come abbiamo accennato, consiste infatti nell’evidenziarne l’influenza gravitazionale sulla sua stella. La stella attrae il pianeta il quale a sua volta attrae la stella ma in misura molto minore perché minore è la sua massa. Tuttavia la presenza di un pianeta provoca lievi ondeggiamenti della stella i quali sono tanto più accentuati quanto più il pianeta è grande e quanto più le è vicino.

Anche la misura della variazione della luminosità apparente della stella determinata dal passaggio del pianeta davanti ad essa consente di stabilire la sua presenza. I transiti di pianeti osservati fino ad oggi con questo metodo sono solo una decina ma questo metodo, a differenza dell’altro, consente di individuare pianeti posti anche a notevole distanza. Quando è presente un pianeta la diminuzione di luminosità della stella si ripete periodicamente e il valore di tale lieve oscuramento dipende dalla grandezza del pianeta e dall’ampiezza dell’orbita percorsa dallo stesso. La principale informazione che si ottiene da questo tipo di osservazione riguarda il raggio del pianeta e se esso è stato identificato anche attraverso il metodo astrometrico, che fornisce il valore della massa, è possibile ricavare da queste misure la sua densità e capire se quel corpo celeste è di natura gassosa (cioè simile a Giove) o rocciosa (cioè simile alla Terra). Gli stessi dati forniscono anche il valore della gravità superficiale e della composizione chimica dell’atmosfera eventualmente presente.

Grazie alle nuove tecniche, attualmente il numero dei pianeti osservati ne annovera quasi quattrocento e tale numero va aumentando di giorno in giorno, ma le stelle contornate da pianeti sono molte di meno: ciò significa che molte di esse sono stelle intorno alle quali orbita più di un pianeta e pertanto numerosi sono i sistemi solari già individuati.

Un aspetto che fa bene sperare per la scoperta di altri mondi abitati, che, come abbiamo detto, è il vero scopo della ricerca, sta nel fatto che i sistemi solari lontani non sono solo popolati da pianeti, ma pure da comete, come avviene nel nostro. Quest’ultima osservazione conferma che il nostro Sistema Solare non è una proprietà esclusiva della Galassia anche se fino ad ora, come abbiamo detto, i soli pianeti osservati sono essenzialmente di tipo gigante gassoso e molto vicini alla stella intorno a cui orbitano: pertanto inadatti alla formazione della vita come la intendiamo noi.

Oltre ai metodi indiretti vi è naturalmente anche quello diretto che tuttavia è estremamente difficile da mettere in pratica. Esso consiste nell’osservare direttamente la luce emanata dal pianeta la cui analisi permetterebbe di identificare anche gli elementi che lo costituiscono e che ne compongono l’atmosfera. La difficoltà di questo tipo di osservazione è da individuarsi nel fatto che la luce che ci giunge da questi corpi celesti è debolissima: sarebbe come pretendere di scorgere una farfallina in vicinanza del faro che illumina il campo sportivo. Tuttavia, alcuni anni addietro, il telescopio Hubble ci ha inviato un’immagine, nella quale è visibile in vicinanza (ma non troppo) di una stella, di un corpo che potrebbe essere un pianeta extrasolare (ma più verosimilmente una piccola stella).

Un modo per ovviare all’estrema debolezza dell’emissione della luce riflessa dal pianeta o di quella infrarossa generata dal calore che esso stesso emana è quello di scegliere in modo opportuno la banda di lunghezze d’onda entro le quali ottimizzare il sistema di osservazione. In questo modo, come abbiamo accennato, si può riuscire a guadagnare fino a cinque ordini di grandezza nel contrasto fra pianeta e stella. I risultati di questo tipo di osservazione tuttavia devono ancora venire.

ALTRI METODI DI OSSERVAZIONE 

Un altro dei metodi indiretti molto utilizzato per l’intercettazione di pianeti extrasolari consiste nell’osservazione del cosiddetto effetto Doppler. Questo fenomeno, ben noto da lungo tempo, venne spiegato dal matematico e astronomo austriaco Christian Doppler (1803-1853). Egli dimostrò che quando una sorgente sonora passa in vicinanza di un osservatore fermo questi avverte un cambiamento di tonalità perché cambia la lunghezza dell’onda sonora. Precisamente l’osservatore nota che il suono si fa acuto, cioè ha una frequenza elevata, perchè le onde sonore, quando la sorgente si avvicina, si comprimono e quindi diventano più corte mentre il suono diventa più grave quando la sorgente si allontana perché le onde sonore in questo caso si distendono, diventano più lunghe e di conseguenza la frequenza diminuisce.

Anche la luce è soggetta allo stesso fenomeno. Se una sorgente luminosa si avvicina la luce appare di frequenza più elevata rispetto a quella della stessa sorgente ferma; se si allontana, si osserva una frequenza più bassa. Frequenze differenti del suono corrispondono a note diverse della scala musicale, mentre frequenze differenti della luce corrispondono a colori diversi. Il rosso ha una frequenza più bassa del blu, quindi una stella che si allontana dovrebbe essere più rossa del normale mentre se si avvicina dovrebbe essere più blu. In pratica questa differenza di colore non si nota direttamente sulla stella ma se si analizza il suo spettro il fenomeno appare evidente. Come è ben noto, la luce di una stella può essere separata nei colori dell’iride (il cosiddetto “spettro”) facendola passare attraverso un prisma di materiale trasparente. Sovrapposta allo spettro si nota una serie di righe di assorbimento corrispondenti ai vari elementi presenti nell’atmosfera stellare. Esiste ad esempio un gruppo di righe corrispondenti all’idrogeno, un diverso gruppo di righe del calcio, un altro ancora del ferro e così via per tutti gli altri elementi chimici. Come si trattasse di un’impronta digitale ogni riga occupa una posizione precisa che cambia solo se il corpo luminoso è in movimento. Se una stella si avvicina le righe subiscono uno spostamento verso il blu, se si allontana le righe si spostano verso il rosso. Per questo motivo il fenomeno è detto anche “spostamento Doppler”.

Le righe spettrali della luce emessa da stelle perturbate dall’influenza di un pianeta mostrano oscillazioni irregolari che permettono di stabilire la misura della velocità a cui si muove la sorgente. Si tratta di spostamenti minimi ma tuttavia misurabili mediante apparecchiature di estrema precisione.

Un altro metodo che di recente ha trovato applicazione è quello della cosiddetta microlente gravitazionale. Esso si basa sul fenomeno della curvatura dei raggi di luce provenienti da una stella lontana per opera del campo gravitazionale generato da un oggetto massiccio interposto tra la sorgente e l’osservatore. Sappiamo che una stella genera una piccola deformazione dello spazio-tempo (lo spazio a quattro dimensioni proposto da Einstein nella sua teoria della relatività generale) e un pianeta in orbita intorno a questa stella vi aggiunge una minuscola irregolarità.

Il risultato conseguente alla presenza di un oggetto celeste interposto fra sorgente luminosa ed osservatore è lo sdoppiamento dell’immagine della sorgente lontana la cui apertura angolare è funzione della massa dell’oggetto interposto, della separazione angolare fra la sorgente e l’oggetto che fa da lente, nonché dalla loro reciproca distanza. Se la massa che funge da lente gravitazionale è di dimensioni ridotte si parla di microlente e la separazione angolare fra le due immagini della sorgente lontana sarà così piccola che diventerà quasi impossibile distinguere le due figure. La presenza di un pianeta intorno alla stella che si comporta come una lente nei confronti di una sorgente più lontana genera una leggera variazione della luminosità della stella stessa.

I programmi di ricerca dal suolo hanno lo scopo di individuare intorno a stelle di tipo solare pianeti giganti e quindi sicuramente privi di vita ma non appena si adotteranno telescopi più potenti essi consentiranno di comprendere a fondo i processi di formazione e di evoluzione dei pianeti stessi. Le osservazioni dallo spazio con il metodo dei transiti si prefiggono invece lo scopo di individuare pianeti simili alla Terra, sia per dimensioni sia per posizione, rispetto alla stella centrale. Questi pianeti potrebbero effettivamente essere abitati.

I FUTURI PROGETTI

I risultati finora ottenuti sono solo parziali. La tecnica delle velocità radiali richiede infatti che l’osservazione di un pianeta duri almeno per il tempo necessario a compiere un giro completo intorno alla sua stella: il che limita la durata dei programmi di ricerca a pianeti che, come Giove, impiegano al massimo una decina d’anni per completare una rivoluzione intorno al Sole. La tecnica dei transiti, che dovrebbe privilegiare l’osservazione di pianeti interni di tipo terrestre sul disco della loro stella, è d’altra parte ancora più limitativa perchè la probabilità geometrica di osservare il transito di un pianeta sul disco della sua stella diminuisce con l’aumentare della separazione orbitale.

Il futuro della caccia ai pianeti extrasolari appare tuttavia assai promettente anche per il contributo che ad essa stanno fornendo gli astrofili. Una microlente planetaria è stata scoperta proprio grazie al lavoro di due astrofili neozelandesi i quali, utilizzando un piccolo telescopio, hanno fornito una serie di dati cruciali per l’individuazione di una coppia pianeta-stella.

Osservazioni dallo spazio dovrebbero essere in grado di rivelare soprattutto la presenza di pianeti terrestri, cosa che è resa molto difficile con misure dal suolo a causa della turbolenza atmosferica che disturba la visione. Il 6 marzo del 2009 il telescopio spaziale Kepler ha iniziato una missione rivolta ad individuare pianeti di tipo terrestre all’interno della nostra Galassia. Esso si è affiancato al lavoro iniziato un paio di anni prima dal telescopio francese COROT il quale era indirizzato ad individuare riduzioni temporanee di luminosità della stella davanti alla quale passa un pianeta.

Kepler, che ha uno specchio molto più grande di quello di COROT, dovrebbe quindi essere in grado di individuare decine o centinaia di pianeti di tipo terrestre in orbita intorno alla loro stella ad una distanza tale da consentire condizioni climatiche simili a quelle che si verificano qui da noi.

Finora, come abbiamo visto, la maggior parte delle ricerche erano basate sul rilevamento della lieve attrazione gravitazionale esercitata dal pianeta sulla stella e non potevano identificare corpi piccoli come il nostro pianeta. Le osservazioni di COROT e Kepler dovrebbero invece consentire di intercettare pianeti di ridotte dimensioni ma presentano lo svantaggio di permettere osservazioni solo nel caso che pianeta e stella si presentino perfettamente allineati con la nostra linea di vista: una condizione quest’ultima che si verifica in media una sola volta su cento. Questo è il motivo per il quale sono state prese in considerazione più di un milione di stelle per essere analizzate. Inoltre c’è da tenere presente che un corpo di dimensioni simili a quelle della Terra riduce la luminosità della stella di solo un decimillesimo.

A complicare la ricerca vi è anche il fatto che una lieve riduzione di luminosità della stella presumibilmente non ha significato, in quanto potrebbe essere dovuta ad una momentanea anomalia dell’emissione stellare; un secondo oscuramento dello stesso tipo potrebbe risultare altrettanto irrilevante ma un terzo fenomeno della stessa entità, che avvenisse dopo il medesimo intervallo di tempo trascorso fra i primi due, comincerebbe ad apparire interessante. Una quarta riduzione di luminosità segnalerebbe la presenza quasi certa di un pianeta la cui orbita passa esattamente tra noi e la stella. Frattanto però i tempi della osservazione sulla singola stella si allungherebbero considerevolmente.

Oltre al problema dei tempi, un altro limite osservativo riguarda il tipo di pianeti che possono essere scoperti. Le difficoltà che si incontrano nella determinazione di pianeti piccoli come la Terra con la tecnica delle velocità radiali attualmente sono enormi e in futuro non saranno minori. Con il metodo dei transiti invece, le possibilità che si incontrano attualmente nei confronti dei pianeti di tipo terrestre, sono dovute soprattutto alla impossibilità di raggiungere una precisione fotometrica adeguata con misure dal suolo. Osservazioni dallo spazio dovrebbero invece essere in grado di rivelare anche i pianeti terrestri.

Una prossima missione, il cui lancio potrebbe avvenire verso il 2015 è denominata Space Interferometry Mission (SIM); essa è deputata ad osservare un centinaio di stelle relativamente vicine con una precisione senza precedenti perché siano identificati pianeti di massa terrestre tanto distanti dalla stella che le temperature né troppo calde né troppo fredde consentirebbero l’esistenza di acqua allo stato liquido.

Ma anche questa missione non sarà in grado di rilevare indizi della presenza di forme di vita come ad esempio molecole tipiche dei corpi animati. Invero, per disporre di strumenti in grado di valutare l’abitabilità dei pianeti, occorreranno tempi più lunghi dettati soprattutto dai costi proibitivi delle missioni.

Attualmente sono allo studio due missioni: l’una della NASA, che porta il nome di Terrestrial Planet Finder (TPF) e l’altra della European Space Agency, chiamata Darwin, e queste dovrebbero essere in grado di realizzare misurazioni spettroscopiche della superficie e della atmosfera di pianeti extrasolari. Nessuna delle due missioni ha preso però il via a causa soprattutto dei costi proibitivi ed anche se si unissero le risorse disponibili di Europa e USA il costo dell’impresa supererebbe i due miliardi di dollari e la costruzione richiederebbe un decennio.

Per ora le migliori possibilità di avere informazioni sui pianeti extrasolari sono offerte dal Jemes Webb Space Telescope (JWST) il cui lancio è previsto per il 2013 nonché dalla prossima generazione di telescopi con base a terra: essi permetteranno di vedere, in quanto muniti di apparecchiature in grado di bloccare la luce stellare (i coronografi), eventuali piccoli corpi immersi nel bagliore intenso della stella.

Prof. Antonio Vecchia