Quando si pensa alle scoperte di esopianeti simili alla Terra, mi viene subito in mente il telescopio spaziale Kepler. Ancora, non è solo Keplero, ma anche informazioni a terra dallo spettrografo HARPS-N, che ha permesso al consorzio ETAEARTH di ottenere informazioni su questi pianeti con un grado di precisione mai raggiunto prima.

Un'iniziativa congiunta tra Europa e Stati Uniti, ETAEARTH (Measuring Eta_Earth:caratterizzazione dei sistemi planetari terrestri con Keplero, ARPE-N, e Gaia), aveva il compito di misurare le masse dinamiche dei candidati pianeti terrestri scoperti dalla missione Kepler. Il progetto consegnato oltre le aspettative, essere responsabile della maggior parte delle scoperte di pianeti simili alla Terra fatte negli ultimi cinque anni.

Dott. Alessandro Sozzetti, coordinatore del progetto e ricercatore presso l'Istituto Nazionale di Astrofisica in Italia, discute i risultati del progetto.

C'è molta ricerca in corso dedicata agli analoghi della Terra. Cosa distingue ETAEARTH?

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

Gli scienziati di ETAEARTH hanno avuto un notevole vantaggio rispetto ad altri gruppi di ricerca perché abbiamo avuto accesso a un cospicuo programma di osservazioni del tempo garantito (GTO) con HARPS-N@TNG, per un totale di 400 notti di osservazione in cinque anni. Un così grande investimento di tempo per il telescopio è stato la chiave per gli spettacolari successi del progetto.

Qual è il valore aggiunto della combinazione dei dati KEPLER e HARPS-N?

Keplero e K2 sfruttano la tecnica dei transiti planetari:misurano la caduta di luce di una stella quando un pianeta la attraversa, rivelando le dimensioni del pianeta. ARPE-N, d'altra parte, misura i cambiamenti nella velocità della stella dovuti all'attrazione gravitazionale di un pianeta in orbita, permettendoci di determinarne la massa.

Dalla combinazione di queste due osservazioni, possiamo calcolare la densità del pianeta e determinarne la composizione in massa (ad es. roccioso, ricco d'acqua, ricco di gas, ecc.) con elevata precisione.

Puoi dirci di più sulla tua metodologia?

ETAEARTH ha accuratamente selezionato Kepler e K2 candidati esopianeti di piccolo raggio in base alle loro possibilità di misurare accuratamente le loro masse con HARPS-N. Abbiamo quindi progettato strategie di osservazione adattive su misura per ciascun sistema, dipendente ad esempio dall'ampiezza del segnale cercato con HARPS-N e dal periodo orbitale del candidato.

Una volta completata una campagna di osservazione per un determinato obiettivo, abbiamo determinato con precisione i parametri fisici fondamentali della stella centrale - cioè, la sua massa e il suo raggio, poiché solo una conoscenza precisa di queste quantità ci consente di derivare stime accurate dei parametri planetari.

Il passo successivo nella nostra metodologia ha comportato una sofisticata analisi combinata dei dati disponibili Kepler/K2 e HARPS-N per derivare tutti i parametri orbitali e fisici del sistema (per pianeti in transito sia singoli che multipli). Finalmente, le nostre misurazioni delle densità planetarie sono state confrontate con le previsioni della teoria per sostenere l'effettiva composizione dei pianeti.

Quali sono state le principali difficoltà che hai incontrato in questo percorso e come le hai superate?

La sfida più grande che abbiamo dovuto affrontare è stata quella di affrontare un'attività stellare. Questo fenomeno, prodotto principalmente da macchie sulla superficie della stella che entrano ed escono dalla vista mentre la stella ruota (proprio come il nostro Sole), introduce complicazioni nell'interpretazione dei dati – in particolare quelli raccolti con HARPS-N. A volte può mascherare completamente o persino imitare un segnale planetario. Quindi pensi di vedere un pianeta, ma stai invece misurando accuratamente la stella che agisce!

La nostra curva di apprendimento era ripida, ma alla fine ci siamo riusciti, utilizzando un duplice approccio:primo, abbiamo adattato le nostre strategie di osservazione con HARPS-N per assicurarci di poter campionare abbastanza bene sia i segnali stellari che quelli planetari. Con la migliore distribuzione temporale possibile delle nostre osservazioni, abbiamo poi sviluppato sofisticati strumenti di analisi che ci hanno permesso di districare efficacemente i segnali planetari e quelli prodotti dall'attività stellare.

Quali diresti che sono state le tue scoperte più importanti?

Abbiamo potuto conoscere per la prima volta la fisica degli interni di questi oggetti. Abbiamo determinato in particolare con alta precisione (20 percento o migliore) la composizione del 70 percento 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 una massa simile, raggio e densità rispetto alla Terra. Abbiamo anche trovato i due pianeti rocciosi in transito più vicini, orbitante intorno alla stella di tipo solare HD219134 a soli 21 anni luce di distanza. Questo campione d'oro di pianeti con parametri ben vincolati ci ha permesso di dedurre che tutti i pianeti densi con masse inferiori a sei masse terrestri (incluse Terra e Venere) sono ben descritti dalla stessa composizione rocciosa (in termini tecnici, lo stesso rapporto fisso tra ferro e silicato di magnesio).

Soprattutto, ETAEARTH fornisce i primi vincoli sulla densità di K2-3d, un pianeta in un sistema di transito multiplo che è simile alla Terra in massa e orbita all'interno della Zona Abitabile della stella nota fino ad oggi per essere la più vicina in massa al Sole. K2-3d sembra appartenere alla classe ancora sfuggente dei "mondi acquatici", con una densità leggermente inferiore a quella terrestre.

Finalmente, utilizzando informazioni dal campione completo di oggetti trovati da Kepler, abbiamo determinato che una stella su cinque di tipo solare ospita un pianeta simile alla Terra, cioè un oggetto con una dimensione simile alla Terra in orbita all'interno della Zona Abitabile della sua stella madre di tipo solare.

Quali sono i tuoi piani di follow-up, se del caso?

I nostri piani post-ETAEARTH si concentreranno principalmente sullo sfruttamento dell'enorme potenziale che sta per essere liberato dal nuovo importante attore nell'arena degli esopianeti, La missione TESS della NASA, lanciata con successo solo poche settimane fa.

TESS troverà pianeti in transito sulla maggior parte del cielo osservabile con raggi non molto più grandi di quelli della Terra, e intorno alle stelle tipicamente da cinque a dieci volte più luminose di quelle osservate da Keplero. Alcuni di questi piccoli pianeti orbiteranno a distanze di Zona Abitabile dalle loro stelle centrali (tipicamente di massa inferiore a quella del Sole).

Abbiamo in programma di investire grandi quantità di risorse osservative da entrambi gli emisferi continuando a utilizzare HARPS-N e il nuovo cacciatore di pianeti europeo ad altissima precisione ESPRESSO sul Very Large Telescope nelle Ande cilene per misurare le masse e le densità dei migliori candidati forniti da TESS. Ciò potrebbe aumentare notevolmente il campione di bersagli ottimali suscettibili di indagini sulle loro atmosfere.