Come potremo guardare esopianeti simili alla Terra

Visti da vicino, i segni non solo della vita, ma della nostra civiltà umana intelligente e tecnologicamente avanzata sono inconfondibili. Il nostro pianeta contiene continenti, oceani e una copertura nuvolosa parziale, nonché calotte polari.

Al mutare delle stagioni, i continenti cambiano colore tra il verde e il marrone e il bianco, a seconda del successo della vegetazione e/o della copertura di ghiaccio e neve. Le nuvole cambiano in una scala temporale molto più veloce, a volte coprendo i continenti, a volte gli oceani e, a volte, un po’ di entrambi.

Nel frattempo, le calotte glaciali avanzano e si ritirano in base all’orientamento della nostra inclinazione assiale, fornendo un’altra variazione annuale nelle proprietà della nostra superficie.

Ci sono altre firme della vita terrestre nel nostro mondo. La concentrazione di anidride carbonica nella nostra atmosfera cambia stagionalmente, e continua ad aumentare costantemente su base annua; l’atmosfera contiene inoltre composti chimici che esistono solo perché vi sono stati aggiunti a causa dell’attività umana.

Di notte, una piccola quantità di radiazione luminosa visibile viene emessa dalla nostra superficie, a causa dell’illuminazione artificiale, mentre un’immagine ad alta risoluzione, come quelle scattate dall’orbita terrestre bassa dalla Stazione Spaziale Internazionale, può rivelare le città , fattorie e altre caratteristiche su larga scala sulla nostra superficie.

Da qui la domanda: se avremo la fortuna di scoprire un altro pianeta similmente “vivente”, cosa vedremo? È una domanda affascinante che è limitata solo dai nostri sviluppi tecnologici.

Esistono modi per sondare le proprietà di un pianeta senza l’imaging diretto e siamo già riusciti a sfruttarne alcuni. Per esempio:

• quando una stella attrae gravitazionalmente un pianeta in orbita, il pianeta si ritrae sulla stella, facendo sì che la stella si muova in risposta alla presenza del pianeta,
• quando un pianeta passa tra la sua stella madre e la nostra linea di vista, oscura una parte del disco della stella, permettendoci di notare un calo periodico della luminosità della stella,
• e, se il pianeta che si trova tra la stella e la nostra linea di vista ha un’atmosfera, allora una piccola parte di quella luce stellare sarà filtrata dall’atmosfera di quel pianeta.

Il primo esempio è noto come metodo della velocità radiale nelle scienze degli esopianeti e ci consente di determinare la massa e il periodo orbitale dell’esopianeta che trascina la stella.

Il secondo è noto come metodo di transito – sfruttato soprattutto dalla missione Kepler della NASA – e ci fornisce il raggio fisico e il periodo orbitale dell’esopianeta.

Infine, il terzo può essere sfruttato al momento solo per una piccola frazione di esopianeti in transito, ma è noto come spettroscopia di transito. Con l’attrezzatura giusta, come l’imminente James Webb Space Telescope della NASA, dovremmo essere in grado di sondare le atmosfere di molti pianeti diversi alla ricerca di composti come acqua, metano, ammoniaca, anidride carbonica e molte tracce, o almeno accenni, di vita e chimica complessa.

Ma cosa accadrebbe se volessimo fare un passo in più rispetto a quanto la nostra tecnologia attuale o solo all’orizzonte è in grado di fare? E se volessimo visualizzare direttamente gli esopianeti?

Attualmente, possiamo farlo, ma solo per un sottoinsieme molto piccolo di esopianeti.

In particolare, gli unici pianeti che i nostri moderni telescopi – sia quelli terrestri di diametro maggiore che quelli spaziali di diametro inferiore ma al di sopra dell’atmosfera – sono in grado di risolvere sono pianeti che sono contemporaneamente grandi (e riflettenti) rispetto ai loro stelle madri e anche ben separate nello spazio, o ad una grande distanza orbitale, dalle loro stelle madri.

Il modo in cui lo facciamo attualmente, anche con la necessità di questi parametri altamente restrittivi, è attraverso l’uso di un coronografo.

Originariamente sfruttato per coprire il disco del nostro Sole, consentendo agli astronomi solari di visualizzare la corona solare senza dover attendere un’eclissi solare totale, l’uso di un coronografo, quando applicato a sistemi di esopianeti, può consentirci di bloccare la luce della stella madre a sufficienza affinché alcuni dei pianeti orbitanti, forse anche i pianeti più interni, possano diventare visibili con l’attrezzatura giusta.

Sfortunatamente per la maggior parte delle applicazioni, questo è ancora molto limitato. I coronografi possono bloccare la luce della stella, ma solo fino a un certo punto. Ricorda, per ottenere un pianeta simile alla Terra attorno a una stella simile al Sole, dovremmo essere in grado di bloccare la luce del Sole entro 1 parte su 100 miliardi solo per avere la possibilità di vedere la Terra dietro il bagliore del Sole.

I migliori coronografi che abbiamo oggi sono impressionanti, ma possono bloccare la luce della stella solo in un intervallo da 1 parte su 100 milioni fino a 1 parte su 10 miliardi al massimo. Siamo ancora un po’ lontani, tecnologicamente, dal darci i rapporti di luce di cui abbiamo bisogno.

Sebbene ci sia speranza che la tecnologia dei coronografi continui a migliorare, esiste un’opzione migliore per bloccare la luce di una stella per vedere meglio i pianeti che la orbitano.

Invece di usare un coronografo, dove la “maschera” ottica che blocca la luce della stella è vicina allo specchio del telescopio stesso, potresti invece usare un diverso tipo di maschera con un diverso set di ottiche geometriche per bloccare la luce della stella in modo uniforme: un’ombra di stelle.

Questo disco a forma di girasole nello spazio ha un aspetto diverso da un coronografo sferico per un semplice motivo: ha lo scopo di eliminare completamente l’interferenza costruttiva che deriverebbe da un ostacolo sferico.

Quando la luce, che ha proprietà ondulatorie, incontra un ostacolo, la luce proveniente dai bordi dell’ostacolo viene distorta otticamente, creando un fenomeno familiare di anelli concentrici sia all’interno che all’esterno del cono d’ombra creato dall’ostacolo stesso.

Con uno starshade, invece, la forma dell’ostacolo è progettata in modo che sia sostanzialmente otticamente perfetta: tutte le interferenze costruttive vengono eliminate. Alla sensibilità del design, può fornire rapporti di contrasto da circa 10 a 100 volte maggiori rispetto a un coronografo simile, sbloccando il potenziale per visualizzare finalmente direttamente pianeti delle dimensioni della Terra a distanze simili alla Terra attorno a stelle simili al Sole.

Se vogliamo immaginare direttamente qualunque mondo possa accadere per adattarsi alla nostra definizione di simile alla Terra, un’ombra stellare è il modo migliore per arrivarci.

Naturalmente, un’ombra stellare ha dei limiti che un coronografo non possiede. Un coronografo fa parte dell’assieme di un telescopio, il che significa che quando si ruota il telescopio per puntare su un bersaglio diverso nel cielo, il coronografo si sposta con il telescopio.

Con una calibrazione e un allineamento adeguati, ci vorranno al massimo solo pochi minuti per prepararti ad osservare la tua stella bersaglio con un coronografo. Nell’arco di una settimana, in particolare con un telescopio spaziale, potresti osservare dozzine o addirittura centinaia di oggetti unici.

Ma un’ombra stellare deve essere molto, molto lontana dal telescopio per essere efficace. Ciò significa che deve essere enorme, in modo che abbia la giusta dimensione angolare per bloccare il disco della stella madre alla sua distanza sostanziale (decine di migliaia di chilometri) dal telescopio.

Deve essere perfettamente, precisamente, otticamente allineato sia con il telescopio che con la stella in questione, e deve rimanere perfettamente allineato nel corso dell’osservazione, portando la precisione del volo a un nuovo estremo.

E poi, alla fine, ha bisogno di volare verso il prossimo bersaglio, percorrendo di nuovo una grande distanza. Nell’arco di un anno, una singola combinazione di ombra stellare/telescopio può visualizzare al massimo solo i pianeti intorno a poche manciate di stelle.

Questa tecnologia, quando si concretizzerà, dovrebbe darci le nostre primissime immagini dirette di esopianeti delle dimensioni della Terra a distanze simili alla Terra attorno a stelle simili al Sole.

Resta da vedere se un pianeta del genere si qualifica come un mondo “simile alla Terra”, completo di cose come l’acqua liquida sulla sua superficie, un’atmosfera sottile ma sostanziale e composti biologicamente amici che popolano i suoi strati più esterni.

Sulla base delle altre proprietà dei pianeti che possiamo misurare, abbiamo una sfilza di candidati per pianeti simili alla Terra, ma nessun dato convincente in entrambi i casi per determinare quali di questi mondi, se ce ne sono, sono veramente simili alla Terra.

Un telescopio spaziale di circa mezzo metro di diametro potrebbe trovare un pianeta simile alla Terra attorno a una stella come Alpha Centauri; uno delle dimensioni di LUVOIR sarebbe in grado di sondare centinaia di stelle vicine alla ricerca di esopianeti.

Ma anche con le tecnologie di prossima generazione che immaginiamo, comprese le due missioni spaziali proposte HabEx e LUVOIR, non saremo in grado di risolvere questi pianeti come più di un singolo pixel nei nostri strumenti.

Va bene, tuttavia, perché anche con un singolo pixel che sembra essere un’immagine diretta di un esopianeta delle dimensioni della Terra, possiamo sia guardarlo nel tempo per vedere come varia, sia osservarlo spettroscopicamente, in più lunghezze d’onda diverse della luce. subito. Questi due fatti, combinati, ci consentiranno di estrarre un’enorme quantità di informazioni.

Qualsiasi pianeta che osserviamo in più lunghezze d’onda diverse per lunghi periodi di tempo mostrerebbe variazioni e queste variazioni saranno incredibilmente istruttive. Solo da un singolo pixel di un esopianeta che cambia nel tempo, potremmo imparare:

• qual è la velocità di rotazione del pianeta,
• quanta parte della sua superficie è coperta di nuvole nel tempo,
• quali sono la riflettività e la composizione delle nuvole,
• se ci sono continenti e oceani nel mondo e, in caso affermativo, quale percentuale della superficie è coperta da entrambi,
• se ci sono calotte di ghiaccio, e come queste calotte di ghiaccio crescono e si ritirano nel corso delle stagioni,
• se e come i continenti cambiano colore nel corso di una rivoluzione planetaria completa,
• se, dalle variazioni orbitali, il pianeta possiede una grande luna o un insieme di lune,
• e se, se c’è un effetto di rotazione di Faraday abbastanza forte, il pianeta mostra prove di avere un campo magnetico planetario.

Questa è un’incredibile quantità di informazioni e qualcosa che dovremmo celebrare quando riusciamo ad acquisirle per la prima volta su qualsiasi mondo al di fuori del nostro Sistema Solare.

Tuttavia, c’è un ulteriore passo che un giorno potremmo fare: costruire un telescopio abbastanza grande da poter visualizzare questi pianeti delle dimensioni della Terra come più di un singolo pixel.

Sarebbe un’impresa enorme e senza precedenti, ma tecnicamente non impossibile.

Se assumi che intorno a una delle due stelle simili al Sole nel sistema Alpha Centauri, a 4,3 anni luce di distanza, ci sia un mondo delle dimensioni della Terra a una distanza simile alla Terra, un telescopio con una risoluzione migliore di ~65 micro-arco -secondi sarebbe in grado di iniziare a risolvere le caratteristiche reali di questo mondo in tempo reale.

Se ci fossero luci artificiali sul lato notturno, un telescopio così grande sarebbe in grado di scoprirle. Se ci fossero grandi modifiche su scala di civiltà che hanno avuto luogo su questo mondo, un telescopio come questo sarebbe in grado di rilevarle direttamente.

L’unico problema? Per ottenere quel livello di risoluzione, anche da un telescopio spaziale, avresti bisogno di costruire un telescopio ottico con un diametro compreso tra 2 e 3 chilometri. Questo è circa circa 100 volte il diametro dei più grandi telescopi terrestri attualmente in costruzione!

Tuttavia, quando si pensa alla possibilità che ci possa essere un pianeta simile alla Terra a soli 4,3 anni luce di distanza, e che un telescopio con una tecnologia insondabile e del prossimo futuro possa rivelare le sue caratteristiche superficiali, sicuramente mette in evidenza le possibilità per l’astronomia di rivelare veramente il primo pianeta abitato oltre il nostro Sistema Solare.