Direct imaging

By articolidiastronomia on 25/02/2018 • ( 2 commenti )

Con la metodologia di direct imaging si cerca di individuare gli esopianeti direttamente da un’immagine fotografica: le fotografie ricevute dalle sonde spaziali mandate in esplorazione nel Sistema Solare sono un esempio molto banale dell’applicazione del metodo dell’analisi diretta. Grazie alle fotografie delle sonde gli astronomi hanno potuto creare dei modelli atmosferici, verificare la presenza di un sistema di anelli e scoprire la presenza di lune intorno al pianeta. Dato che ancora non ci sono sonde che hanno esplorato altri sistemi planetari eccetto il nostro, per ora dobbiamo basarci sulle immagini che i telescopi registrano da terra (o dallo spazio), e tener presente di quanto sia debole la luce che viene riflessa dal pianeta rispetto a quella generato dalla sua stella ospite.

Bisogna tener presente che spesso non basta affatto una sola fotografia per confermare la presenza di un esopianeta; tutti i metodi utilizzati, in particolare l’osservazione diretta, richiedono diverse survey del cielo sulla stella ospite candidata; questo porta ad avere una enorme quantita’ di dati da analizzare al termine delle osservazioni (big data). Dato che oggigiorno i survey vengono compiuti in maniera automatica dai computer, l’analisi dei dati non puo’ essere condotta dagli astronomi a mano (rischierebbero di essere sommersi da una mole elevata di dati che si accoderebbero in attesa di essere elaborati), ma non puo’ essere condotta neanche dai computer, in quanto sarebbero comunque ‘troppo lenti’. Per questo motivo vengono implementati metodi statistici euristici che fanno una valutazione in seno probabilistico su ogni osservazione, diminuendo la quantita’ di dati grezzi da analizzare e limitandosi ai candidati migliori. Una volta trovati questi ultimi, si prosegue con indagini piu’ approfondite per verificare l’ipotesi di effettiva presenza di esopianeta basandosi sulla debole luce riflessa del pianeta.

Questo fatto lascia già intuire quanto sia difficile utilizzare questo metodo; facciamo un esempio considerando il Sistema Solare. Ogni pianeta riflette una quantità di luce solare che dipende dalla distanza dal Sole e dalla sua riflettività; il grafico seguente illustra la distribuzione di luminosita’ per il Sole e di altri pianeti del Sistema Solare, in funzione della banda di osservazione:

Luminosita’ di alcuni pianeti del Sistema Solare in funzione della banda di osservazione

Se seguiamo la differenza dell’andamento del grafico di luminosita’ per Sole e Giove (il pianeta piu’ grande fra gli otto), notiamo che nella banda del visibile il valore massimo di luminisita’ del Sole si trova intorno a 500 nm: il rapporto di luminosita’ rispetto a Giove nello stesso intervallo di banda e’ pari a circa 10⁹, ovvero 1 miliardo!!. Se seguiamo l’andamento dello spettro per i due oggetti, notiamo che la differenza si affievolisce a mano a mano che aumenta la lunghezza d’onda, fino ad arrivare a un nuovo minimo sui 6000 nm circa, ovvero nel medio infrarosso. Quindi, se un ipotetico extraterrestre volesse avere maggiori chance di osservazione per individuare esopianeti intorno al Sole, (a parita’ di ogni altra condizione) dovrebbe spostarsi nell’infrarosso, dove il rapporto di luminosità scende a circa 10⁵ e migliorano le condizioni di contrasto. Questo concetto si estende ad ogni sistema planetario e, proprio per questo motivo, la ricerca di esopianeti lavora in diverse bande dello spettro, dando maggior importanza alle bande di emissioni dove e’ piu’ favorevole il rapporto di luminosita’ fra esopianeta e stella ospite.

l fattori di luminosita’ della stella/pianeta non sono gli unici parametri da considerare per lo studio degli esopianeti con metodi di osservazione diretta: anche la distanza del sistema planetario dalla Terra costituisce un fattore discriminante per l’impiego di questa metodologia. Banalmente, piu’ un pianeta e’ lontano da noi, e minore sara’ la sua luminosita’ apparente, quindi più difficile e’ la sua individuazione. Infatti, la capacità di risoluzione del pianeta diminuisce con la distanza d di osservazione, ma aumenta quanto più il pianeta possiede un’orbita distante dalla sua stella ospite. Supponendo di metterci nelle migliori condizioni di vista, se consideriamo l’ipotesi di una distanza d molto grande, allora possiamo usare l’approssimazione per piccoli angoli, e sostituire il seno con il suo angolo:

separazione angolare: formula per piccoli angoli

Separazione angolare fra stella e pianeta (disegno dell’autore)

ove d è la distanza dall’osservatore, $\theta$ e’ l’angolo di separazione fra pianeta e la sua stella ed infine a è il semiasse maggiore dell’orbita planetaria. Dal punto di vista di della precisione strumentale, a parita’ di distanza da noi, quanto piu’ il pianeta e’ distante dalla stella, piu’ grande sara’ l’angolo di separazione, e quindi individuabile con telescopi con potere risolutivo minore (quindi ‘meno precisi’). Combinando i due fattori appena desritti (distanza e luminosita’) possiamo dire che non tutti i tipi di stelle sono adatte all’analisi per direct imaging; le stelle piu’ vicine a noi offrono maggiori possibilita’, in particolare le nane rosse (classe spettrale M), in quanto a causa della minore luminosita’ intrinseca, aumentano naturalmente il rapporto fra luminosita’ del pianeta e luminosita’ della stella ospite.

Una metodologia alternativa (anche se le due cose possono coesistere insieme), per rendere visibile il pianeta immerso nella luce della sua stella ospite, è quella di oscurare in qualche modo, proprio la luce della stella ospite, in modo da far emergere dall’oscurità la luminosità dell’esopianeta. L’utilizzo di un coronografo è quello che fa al caso opportuno.

Esempio di un coronografo per oscurare il Sole usato dalla sonda Soho

L’esempio classico di un coronografo è quello utilizzato dalla sonda Soho per oscurare il disco solare (vedi immagine sopra) per studiarne la corona e le protuberanze: un tale strumento può aiutare a mettere in risalto in pianeta, prima messo in ombra dalla luce della stella ospite. In passato (2011) la NASA aveva proposto una missione chiamata Terrestrial Planet Finder, allo scopo di trovare esopianeti di tipo terrestre che si basavano sull’utilizzo di un array di telescopi ed un coronografo in grado di schermare la luce della stella, ma ad oggi, la missione risulta essere annullata.

Nel 2008 Hubble, con un coronografo montato su esso, è riuscito a individuare prima un disco di accrescimento di polveri intorno a Fomalhaut (Piscis Austrini) e in seguito (2012 e anni seguenti) a confermare la presenza di un esopianeta Fomalhaut b alla distanza di circa 115 U.A.

Immagini a falsi colori di Fomalhaut b ripreso dall’HST

Il sito http://exoplanet.eu fornisce l’accesso gratuito a un catalogo gratuito di tutti exoplaneti scoperti (e non solo) profilati per diverse caratterisitiche. Ad oggi (Febbraio 2018) sono presenti 92 pianeti confermati grazie all’utilizzo di direct imaging. Qui sotto un grafico che mostra gli esopianeti scoperti con questa metodologia anno per anno in funzione del loro semi asse maggiore.