Una mite serata in Florida, e io e la mia famiglia stavamo a Cocoa Beach, guardando a nord verso la Cape Canaveral Air Force Station. Facevamo parte di una folla in riva al mare riunita per assistere al lancio del telescopio spaziale Kepler della NASA. Quando la palla di fuoco apparve e cominciò lentamente a salire in lontananza, abbiamo esultato con i nostri colleghi osservatori. Circa 30 secondi dopo, abbiamo sentito il rumore della terra e sentito il ruggito profondo, guardando il razzo Delta II salire nel cielo notturno e accelerare mentre si dirigeva sull'oceano.

Keplero ha continuato a trascorrere nove anni nello spazio profondo alla ricerca di vicini galattici come noi:pianeti delle dimensioni della Terra in orbita attorno a stelle simili al Sole. Keplero osservava un pezzo della galassia della Via Lattea che includeva milioni di stelle. Ha trasmesso dati su quasi 200, 000 di loro e ne ho trovati più di 2, 300 esopianeti:pianeti al di fuori del nostro sistema solare.

"Con i dati di Keplero, abbiamo informazioni più precise e dettagliate di quanto non avessimo mai avuto prima, "dice l'astrofisico Eric Ford, che faceva parte del team scientifico di Kepler. Ford e i suoi colleghi del Center for Exoplanets and Habitable Worlds della Penn State stanno costruendo l'eredità di Evan Pugh, il professor Alex Wolszczan, che ha scoperto i primi esopianeti conosciuti nel 1992 utilizzando rilievi da strumenti a terra. "Kepler ha trovato migliaia di pianeti, " dice Ford. "Gli astronomi vorrebbero saperne di più su tutti loro, ma non c'è abbastanza tempo per il telescopio. Poiché le persone sono particolarmente interessate a saperne di più su quelli che potrebbero assomigliare alla Terra, abbiamo in programma di concentrarci sulla caratterizzazione dei pianeti nelle zone abitabili dei loro sistemi planetari".

La zona abitabile è una regione all'interno di un sistema solare - una distanza non troppo vicina e non troppo lontana da un sole - dove un pianeta avrebbe le condizioni necessarie per avere acqua liquida sulla sua superficie, un requisito importante per l'esistenza della vita basata sul carbonio come la conosciamo. James Casting, Evan Pugh Professore di Scienze della Terra, è stato uno dei primi sviluppatori del concetto. La temperatura della superficie del pianeta deve essere al di sopra del punto di congelamento dell'acqua e al di sotto del punto di ebollizione. Entrano in gioco anche altre condizioni, compresa la massa del pianeta, rotazione, e atmosfera. Tra gli esopianeti Keplero che sono stati analizzati finora, diverse dozzine sono considerate nella zona abitabile della loro stella.

Eric Ford, un membro del team scientifico di Kepler, studia come si formano ed evolvono i pianeti, sia nel nostro sistema solare che in altri. Molti dei sistemi trovati da Kepler sono molto diversi dai nostri, sollevando nuove domande su come si sviluppano i sistemi planetari e perché si verificano in forme così diverse. Lo strumento Keplero prende il nome dall'astronomo tedesco Johannes Kepler, che nei primi anni del 1600 formulò tre leggi del moto planetario.

Come trovare un pianeta extrasolare

Nella sua ricerca di esopianeti, la missione Keplero utilizzava il metodo del transito, utilizzando la tecnologia simile a una fotocamera digitale per rilevare e misurare piccoli cali nella luminosità di una stella quando un pianeta attraversa la stella. Con osservazioni di pianeti in transito, gli astronomi possono calcolare il rapporto tra il raggio di un pianeta e quello della sua stella, essenzialmente la dimensione dell'ombra del pianeta, e con quel rapporto possono calcolare le dimensioni del pianeta. "Conosciamo le dimensioni di migliaia di pianeti grazie al metodo dei transiti, "dice Ford.

Sebbene la sua elettronica a energia solare possa continuare a funzionare a lungo, lo scorso autunno, Keplero ha esaurito l'idrazina necessaria per orientarsi con precisione, e la NASA ha ritirato la navicella spaziale. Ora è a 94 milioni di miglia di distanza, in un'orbita che segue la Terra intorno al Sole. Ma la missione ha prodotto dati sufficienti per tenere occupati gli astronomi per gli anni a venire. E adesso, una nuova missione della NASA si sta espandendo sul censimento di esopianeti di Kepler puntando più da vicino, stelle più luminose.

TESS (satellite in transito per l'indagine sugli esopianeti), lanciato lo scorso aprile, sta scrutando quasi tutto il cielo, una patch alla volta, alla ricerca di pianeti in transito attorno alle stelle più vicine. Mentre le stelle tipiche osservate da Keplero erano da 300 a 3, 000 anni luce di distanza (un anno luce è circa sei trilioni di miglia), TESS sta guardando le stelle che si trovano a poche decine di anni luce di distanza. E invece di passare anni a guardare un pezzo di cielo, come fece Keplero, TESS sposterà la sua visuale da una porzione di cielo all'altra.

Utilizzando le osservazioni TESS di stelle più luminose, in media da 30 a 100 volte più luminose delle stelle rilevate da Kepler, gli astronomi saranno in grado di ispezionare i pianeti più da vicino e di effettuare osservazioni successive più facilmente. "Con TESS, ci stiamo concentrando sulla ricerca di pianeti intorno a stelle più vicine a noi, poiché saremo in grado di caratterizzarli in modo più efficiente, " Afferma Ford. I dati di TESS forniranno informazioni sulle dimensioni di un pianeta e sul periodo orbitale, e osservazioni successive con altri strumenti consentiranno ai ricercatori di misurare le masse e descrivere le atmosfere di questi pianeti.

Ma per quanto prezioso sia il metodo del transito per gli studi planetari, ha i suoi limiti. "I transiti ti permettono solo di vedere i pianeti che si incrociano tra noi e la stella che stiamo guardando, " spiega l'astrofisico Fabienne Bastien. "Le velocità radiali ci consentono di vedere i sistemi planetari in altri orientamenti".

Chiamata anche spettroscopia Doppler, il metodo della velocità radiale terrestre è stata in realtà la prima tecnica per rilevare pianeti extrasolari ospitati da stelle simili al Sole. Si basa sul fatto che una stella oscilla leggermente in risposta allo strattone gravitazionale di un pianeta in orbita. Questi piccoli movimenti influenzano lo spettro luminoso della stella, o firma a colori. Quando la stella si allontana leggermente da un osservatore, la lunghezza d'onda della sua luce si allunga leggermente, spostandosi verso l'estremità rossa dello spettro. Mentre il pianeta orbitante tira leggermente la stella verso l'osservatore, la luce della stella si sposta verso il blu. Attraverso ripetute osservazioni dei cambiamenti nello spettro della stella, i ricercatori possono calcolare la massa del pianeta.

Bastiano, la cui ricerca si concentra sulle stelle ospiti dei sistemi planetari, combina i dati di transito con studi sulla velocità radiale per saperne di più sui soli lontani. "Questi soli hanno macchie e bagliori e tutti i tipi di attività che possono imitare o mascherare un segnale di esopianeti, " dice. "Gran parte del mio lavoro consiste nel districare il segnale planetario dal segnale stellare, quindi possiamo confermare che in realtà è un pianeta quello che stiamo vedendo. Penn State è già una centrale elettrica della velocità radiale, e sono entusiasta di due nuovi spettrografi che sono molto più sensibili di quelli che abbiamo avuto fino ad oggi e che faranno avanzare notevolmente i nostri studi".

Questi nuovi di classe mondiale, spettrografi ad alta sensibilità, costruito da un team della Penn State guidato dall'astrofisico Suvrath Mahadevan, stanno per cambiare il panorama della velocità radiale. Misureranno le velocità radiali in modo estremamente preciso per caratterizzare i pianeti di piccola massa all'interno o in prossimità delle zone abitabili delle loro stelle. Uno spettrografo è progettato per lo studio ottico di stelle simili al Sole vicine, e l'altro per rilevare più fresco, più debole, stelle di massa inferiore che utilizzano la luce infrarossa.

"Non vedo l'ora di usare questi spettrografi per esplorare alcune idee che ho per trovare esopianeti abitabili, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Per esempio, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Per esempio, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

Where do we go from here?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? We don't know yet. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Luckily, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."