Come i cambiamenti di velocità delle stelle hanno rivelato i pianeti più simili alla Terra mai osservati finora

ETAEARTH (Measuring Eta_Earth: Characterization of Terrestrial Planetary Systems with Kepler, HARPS-N, and Gaia), un’iniziativa congiunta tra Europa e Stati Uniti, era incaricata di misurare le masse dinamiche degli aspiranti pianeti terrestri scoperti dalla missione Kepler. Il progetto ha superato tutte le aspettative, essendo responsabile della maggior parte delle scoperte di pianeti simili alla Terra effettuate negli ultimi cinque anni.

Il dottor Alessandro Sozzetti, coordinatore del progetto e ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica, ci parla dei risultati ottenuti dal progetto.

Sono attualmente in corso molte ricerche dedicate ai pianeti simili alla Terra. Che cosa contraddistingue ETAEARTH?

Nel corso dei cinque anni del progetto, ETAEARTH ha combinato la fantastica precisione fotometrica delle missioni Kepler e K2 della NASA con la qualità impareggiabile di misurazioni al suolo della velocità radiale effettuate con lo spettrografo HARPS-N sul Telescopio Nazionale Galileo (TNG) italiano nelle isole Canarie. Lo scopo era quello di determinare le proprietà fisiche dei pianeti terrestri extrasolari in orbita attorno a stelle di dimensioni simili o inferiori a quelle del Sole, con una precisione senza precedenti.

Noi scienziati di ETAEARTH avevamo un vantaggio considerevole rispetto agli altri gruppi di ricerca, perché avevamo accesso a un notevole programma di tempo garantito di osservazione con HARPS-N@TNG, per un totale di 400 notti di osservazione in cinque anni. Un investimento di tempo così lungo al telescopio è stato fondamentale per i successi spettacolari del progetto.

Qual è il valore aggiunto nel combinare i dati di KEPLER e HARPS-N?

Kepler e K2 sfruttano la tecnica dei transiti planetari, ossia misurano la diminuzione della luce proveniente da una stella mentre un pianeta le passa davanti, rivelando le dimensioni del pianeta. HARPS-N, d’altro canto, misura i cambiamenti di velocità della stella dovuti alla forza gravitazionale esercitata da un pianeta in orbita, consentendoci di determinarne la massa.

Dalla combinazione di queste due osservazioni, possiamo calcolare la densità del pianeta e determinarne la composizione della massa (ad esempio roccioso, ricco d’acqua, ricco di gas, ecc.) con grande precisione.

Ci può dire di più sulla vostra metodologia?

ETAEARTH ha selezionato con attenzione gli aspiranti esopianeti con raggio ridotto per Kepler e K2 in base alla possibilità, per mezzo di HARPS-N, di misurarne con precisione le masse. Poi abbiamo progettato delle strategie di osservazione adattabili a ciascun sistema, a seconda per esempio della magnitudine del segnale cercato con HARPS-N e del periodo orbitale del candidato.

Una volta completata una campagna di osservazione per un dato bersaglio, abbiamo determinato con precisione i parametri fisici fondamentali della stella centrale (ossia la sua massa e il suo raggio), visto che solo una conoscenza precisa di queste misure ci consente di ricavare stime accurate dei parametri planetari.

Il passo successivo nella nostra metodologia ha comportato una sofisticata analisi combinata dei dati disponibili di Kepler/K2 e HARPS-N per ricavare tutti i parametri orbitali e fisici del sistema (sia per i pianeti singoli che per quelli multipli che transitano). Infine, le nostre misurazioni delle densità planetarie sono state confrontate con le previsioni basate sulla teoria, al fine di corroborare la reale composizione del pianeta o dei pianeti.

Quali sono state le principali difficoltà che avete incontrato in questo processo e come le avete superate?

La sfida più grande che abbiamo affrontato è stata il doversi occupare dell’attività stellare. Questo fenomeno, prodotto soprattutto da macchie sulla superficie della stella che entrano ed escono dal campo visivo mentre la stella ruota (proprio come il nostro Sole), introduce delle complicazioni nell’interpretazione dei dati, in particolare quelli raccolti con HARPS-N, che a volte può mascherare completamente o persino imitare un segnale planetario. Pensiamo di vedere un pianeta, ma stiamo invece accuratamente misurando la stella che si mette in mostra!

La nostra curva di apprendimento è stata ripida, ma alla fine ce l’abbiamo fatta usando un approccio doppio: per prima cosa abbiamo adattato le nostre strategie di osservazione con HARPS-N per accertarci di poter campionare abbastanza bene sia i segnali stellari che quelli planetari. Con la migliore distribuzione temporale possibile delle nostre osservazioni, abbiamo poi sviluppato dei sofisticati strumenti di analisi che ci hanno consentito di districare efficacemente i segnali planetari e quelli prodotti dall’attività stellare.

Quali sono, secondo lei, le vostre più importanti conclusioni?

Potremmo per la prima volta conoscere la fisica dell’interno di questi oggetti. In particolare abbiamo determinato con elevata precisione (20 % o superiore) la composizione del 70 % dei pianeti attualmente conosciuti con masse tra una e sei volte quella della Terra e con una composizione rocciosa simile a quella della Terra.

Tra questi, abbiamo scoperto Kepler-78b, il primo oggetto planetario che ha massa, raggio e densità simili alla Terra. Abbiamo inoltre trovato i due pianeti rocciosi in transito più vicini, in orbita attorno alla stella di tipo solare HD219134, a soli 21 anni luce di distanza. Questo campione di riferimento di pianeti con parametri ben limitati ci ha permesso di dedurre che tutti i pianeti densi con massa inferiore a sei volte la massa della Terra (inclusi la Terra e Venere) sono ben descritti esattamente dalla stessa composizione rocciosa (in termini tecnici, la stessa proporzione fissa tra ferro e silicato di magnesio).

Soprattutto, ETAEARTH fornisce le prime restrizioni in assoluto alla densità di K2-3d, un pianeta in un sistema di transito multiplo che ha una massa simile a quella della Terra ed è in orbita all’interno della zona abitabile della stella nota ad oggi con la massa più simile a quella del Sole. K2-3d sembra appartenere all''ancora vaga classe dei «pianeti d''acqua», con una densità lievemente inferiore rispetto a quella della Terra.

Infine, usando informazioni provenienti dall’intero campione di oggetti trovato da Kepler, abbiamo determinato che una stella simile al Sole ogni cinque ospita un pianeta simile alla Terra, ovvero un oggetto con dimensioni simili a quelle della Terra in orbita all’interno della zona abitabile della sua stella genitrice di tipo solare.

Quali sono i vostri programmi successivi, se ne avete?

I nostri programmi dopo ETAEARTH si concentreranno soprattutto sullo sfruttamento dell’enorme potenziale che sta per essere messo in campo nel settore degli esopianeti, la missione TESS della NASA che è stata lanciata con successo appena poche settimane fa.

TESS troverà i pianeti in transito nella maggior parte del cielo osservabile con raggi non molto più grandi rispetto a quello della Terra e attorno a stelle generalmente da cinque a dieci volte più brillanti di quelle osservate da Kepler. Alcuni di questi piccoli pianeti saranno in orbita nella zona abitabile attorno alle loro stelle centrali (generalmente con massa inferiore rispetto al Sole).

Intendiamo investire grandi quantità di risorse per l’osservazione da entrambi gli emisferi, pur continuando a utilizzare HARPS-N e il nuovo cacciatore di pianeti europeo a precisione ultra elevata ESPRESSO sul Very Large Telescope nelle Ande cilene, allo scopo di misurare masse e densità dei migliori candidati forniti da TESS. Così facendo si potrebbe aumentare moltissimo il campione di bersagli ottimali disponibili per gli studi delle rispettive atmosfere.