A caccia di esopianeti con le deformazioni spazio-temporali
WFIRST, il nuovo telescopio spaziale che verrà lanciato a breve e che studierà anche l'energia oscura e l'espansione cosmica accelerata, sarà in grado di individuare i transiti degli esopianeti, controllando piccole ondate di luminosità prodotte da un fenomeno di flessione della luce chiamato microlente gravitazionale
Nei pressi del centro della Via Lattea ci sono un gran numero di stelle ed è proprio là che il WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) della NASA, conosciuto anche come Nancy Grace Roman Space Telescope, darà la caccia agli esopianeti per studiarne le proprietà che ci consentiranno di capire come si formano e come evolvono.
La combinazione dei risultati ottenuti da WFIRST, della missioni Kepler e della Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA completerà il primo censimento planetario che includerà certamente pianeti simili alla Terra.
Finora, gli astronomi hanno trovato la maggior parte degli esopianeti attraverso il metodo del transito, quando cioè gli esopianeti temporaneamente oscurano la luce della stella attorno alla quale orbitano transitandovi davanti. Tuttavia WFIRST, il nuovo telescopio spaziale che verrà lanciato a breve e che studierà anche l’energia oscura e l’espansione cosmica accelerata, sarà in grado di individuare i transiti, controllando tuttavia un effetto opposto: piccole ondate di luminosità prodotte da un fenomeno di flessione della luce chiamato microlente gravitazionale.
Questi eventi sono molto meno comuni dei transiti perché si basano sull’allineamento casuale di due stelle ampiamente separate e non correlate tra loro gravitazionalmente.
“I segnali di microlente gravitazionale dei piccoli pianeti sono rari e brevi, ma sono più forti dei segnali rmisurati con altri metodi“, ha affermato David Bennett, che guida il gruppo di microlensing presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland.
“Dato che si tratta di un evento da uno su un milione, la chiave per WFIRST di trovare pianeti di bassa massa è sondare centinaia di milioni di stelle“. Inoltre, la tecnica di microlensing è migliore nel trovare pianeti dentro e oltre la zona abitabile, le distanze orbitali in cui i pianeti potrebbero avere acqua liquida sulla loro superficie.
L’effetto microlente gravitazionale si verifica quando la luce transita vicino a un oggetto di grande massa. Qualsiasi oggetto dotato di massa deforma il tessuto dello spazio-tempo (un po’ come farebbe una palla da bowling posata su una superficie deformabile in gomma). La luce viaggiando in linea retta verrebbe curvata passando nei pressi di un oggetto, in questo caso una stella, dotata di grande massa.
Ogni qual volta due stelle si allineano rispetto al nostro punto di osservazione, la luce proveniente dalla stella più distante verrà deflessa passando attorno alla stella più vicina a noi.
Questo fenomeno, predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein è stata confermato dal fisico britannico Sir Arthur Eddington durante un’eclissi solare totale nel 1919. Se l’allineamento è particolarmente vicino, la stella più vicina si comporta come una lente cosmica naturale, focalizzando e intensificando la luce dalla stella sullo sfondo. Anche i pianeti in orbita attorno alla stella in primo piano possono contribuire con la loro massa a modificare la luce riflessa, fungendo da minuscole lenti. La distorsione che creano consente agli astronomi di misurare la massa e la distanza del pianeta dalla stella madre.
“Cercare di interpretare le popolazioni dei pianeti oggi è come cercare di interpretare un’immagine con la metà coperta“, ha detto Matthew Penny, assistente professore di fisica e astronomia presso la Louisiana State University di Baton Rouge che ha condotto uno studio per prevedere le capacità di indagine di microlensing della WFIRST.
“Per comprendere appieno come si formano i sistemi planetari dobbiamo trovare pianeti di tutte le masse a tutte le distanze. Nessuna tecnica può farlo, ma il sondaggio a microlente di WFIRST, combinato con i risultati di Kepler e TESS, rivelerà molto di più del quadro“.
Finora sono stati confermati oltre 4.000 pianeti extrasolari, ma solo 86 sono stati trovati grazie alla tecnica della microlente gravitazionale. Le tecniche comunemente usate per trovare altri mondi non sempre sono adatte a pianeti che tendono ad essere molto diversi da quelli del nostro sistema solare. Il metodo del transito, ad esempio, è il migliore per trovare pianeti simili a Nettuno che hanno orbite molto più strette di quelle di Mercurio. Per un sistema solare come il nostro, gli studi di transito potrebbero non andare bene per quasi tutti i pianeti.
L’indagine con microlente di WFIRST ci aiuterà a trovare analoghi per ogni pianeta del nostro sistema solare tranne Mercurio, la cui orbita molto stretta e la bassa massa sono oltre la portata della missione. WFIRST troverà pianeti con la massa della Terra e anche più piccoli, forse anche grandi lune, come la luna di Giove Ganimede.
WFIRST troverà anche pianeti scarsamente studiati. Il metodo che sfrutta il fenomeno microlensing è più adatto a trovare mondi nella zona abitabile della loro stella e più lontano. Ciò include giganti di ghiaccio, come Urano e Nettuno, e persino pianeti che vagano liberamente per la galassia senza legami con alcuna stella.
Mentre i giganti di ghiaccio sono una minoranza nel nostro sistema solare, uno studio del 2016 ha indicato che potrebbero essere il tipo più comune di pianeta presenti nella galassia. WFIRST testerà questa teoria e ci aiuterà a comprendere meglio quali sono le caratteristiche planetarie più comune.
WFIRST esplorerà le regioni della galassia che non sono state ancora sistematicamente setacciate a causa dei diversi obiettivi delle precedenti missioni. Keplero, per esempio, ha setacciato una regione di dimensioni modeste di circa 100 gradi quadrati con 100.000 stelle a distanze tipiche di circa mille anni luce. TESS analizza l’intero cielo e segue 200.000 stelle, con distanze tipiche di circa 100 anni luce.
WFIRST setaccerà 3 gradi quadrati, ma seguirà 200 milioni di stelle a distanze di circa 10.000 anni luce.
Poiché WFIRST è un telescopio a infrarossi, vedrà attraverso le nuvole di polvere che bloccano altri telescopi dallo studio dei pianeti nella affollata regione centrale della nostra galassia. La maggior parte delle osservazioni di microlente gravitazionale fino ad oggi sono state fatte in luce visibile, rendendo il centro della galassia in gran parte territorio inesplorato.
Un sondaggio con microlente condotto dal 2015 utilizzando il UK Infrared Telescope (UKIRT) alle Hawaii sta aprendo la strada al censimento degli esopianeti da parte di WFIRST mappando la regione.
L’indagine UKIRT sta fornendo le prime misurazioni del tasso di microlente nei pressi del nucleo della galassia, dove le stelle sono più densamente concentrate. I risultati aiuteranno gli astronomi a decidere con quale strategia di osservazione finale di microlenti impostare il WFIRST.
L’obiettivo più recente del team UKIRT è rilevare eventi di microlenti utilizzando l’apprendimento automatico, che sarà vitale per WFIRST. La missione produrrà una così grande quantità di dati che non sarà pratico controllarli tutti. La razionalizzazione della ricerca richiederà processi automatizzati.
Ulteriori risultati di UKIRT indicano una strategia di osservazione che rivelerà gli eventi più probabili di microlente evitando le nuvole di polvere più spesse che possono schermare anche la luce infrarossa.
“Il nostro attuale sondaggio con UKIRT sta gettando le basi in modo che WFIRST possa implementare il primo sondaggio dedicato al microlensing basato sullo spazio“, ha affermato Savannah Jacklin, astronoma della Vanderbilt University di Nashville, Tennessee, che ha condotto diversi studi UKIRT. “Le precedenti missioni esopianeti hanno ampliato la nostra conoscenza dei sistemi planetari e WFIRST ci farà fare un passo avanti più grande per comprendere veramente come i pianeti, in particolare quelli all’interno delle zone abitabili delle loro stelle ospiti, si formano e si evolvono“.
Un sondaggio simile a microlente gravitazionale che rivelerà migliaia di pianeti rileverà anche centinaia di altri oggetti cosmici bizzarri e interessanti.
Gli scienziati saranno in grado di studiare corpi con masse che vanno da quella di Marte a 100 volte quella del Sole. La fascia bassa della gamma delle masse include pianeti che sono stati espulsi dalle loro stelle ospiti e ora vagano per la galassia.
Poi ci sono le nane brune, troppo massicce per essere considerate pianeti ma non abbastanza grandi da diventare stelle. Le nane brune non brillano come le comuni stelle, ma WFIRST sarà in grado di studiarle nello spettro di luce infrarossa attraverso il calore che ancora emettono dalla loro formazione.
Gli oggetti all’estremità superiore includono stelle di neutroni e buchi neri residui di stelle massicce che hanno esaurito il loro combustibile. Studiarli e misurare le loro masse aiuterà gli scienziati a capire di più sulla morte delle stelle fornendo al contempo un censimento dei buchi neri di massa stellare.
“L’indagine attraverso la microlente gravitazionale di WFIRST non solo migliorerà la nostra comprensione dei sistemi planetari“, ha detto Penny, “consentirà tutta una serie di altri studi sulla variabilità di 200 milioni di stelle, la struttura e la formazione della Via Lattea interna e la popolazione dei buchi neri e altri oggetti oscuri e compatti che sono difficili o impossibili da studiare in qualsiasi altro modo“.
Il lancio del Nancy Grace Roman Space Telescope è, al momento, schedulato per l’aprile del 2027.
