Il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA cercherà i pianeti al di fuori del nostro sistema solare verso il centro della nostra galassia, la Via Lattea, dove sono la maggior parte delle stelle. Studiare le proprietà dei mondi degli esopianeti ci aiuterà a capire come sono i sistemi planetari in tutta la galassia e come si formano ed evolvono i pianeti.

La combinazione dei risultati di WFIRST con i risultati delle missioni Kepler e Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA completerà il primo censimento dei pianeti che è sensibile a un'ampia gamma di masse e orbite del pianeta, portandoci un passo più vicino alla scoperta di mondi abitabili simili alla Terra oltre il nostro.

Ad oggi, gli astronomi hanno trovato la maggior parte dei pianeti quando passano davanti alla loro stella ospite in eventi chiamati transiti, che oscurano temporaneamente la luce della stella. I dati WFIRST possono individuare anche i transiti, ma la missione osserverà principalmente l'effetto opposto:piccole ondate di luminosità prodotte da un fenomeno di flessione della luce chiamato microlensing. Questi eventi sono molto meno comuni dei transiti perché si basano sull'allineamento casuale di due stelle ampiamente separate e non correlate alla deriva nello spazio.

"I segnali di microlenti provenienti da piccoli pianeti sono rari e brevi, ma sono più forti dei segnali di altri metodi, "ha detto David Bennett, che guida il gruppo di microlenti gravitazionali presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Dato che è un evento unico su un milione, la chiave per WFIRST trovare pianeti di piccola massa è cercare centinaia di milioni di stelle."

Inoltre, il microlensing è migliore per trovare pianeti dentro e oltre la zona abitabile, le distanze orbitali in cui i pianeti potrebbero avere acqua liquida sulla loro superficie.

Microlente 101

Questo effetto si verifica quando la luce passa vicino a un oggetto massiccio. Qualsiasi cosa con massa deforma il tessuto dello spazio-tempo, un po' come l'ammaccatura che fa una palla da bowling quando viene messa su un trampolino. La luce viaggia in linea retta, ma se lo spazio-tempo è piegato, cosa che accade vicino a qualcosa di enorme, come una stella:la luce segue la curva.

Ogni volta che due stelle si allineano strettamente dal nostro punto di vista, la luce della stella più lontana si curva mentre viaggia attraverso lo spazio-tempo deformato della stella più vicina. Questo fenomeno, una delle predizioni della teoria della relatività generale di Einstein, è stato notoriamente confermato dal fisico britannico Sir Arthur Eddington durante un'eclissi solare totale nel 1919. Se l'allineamento è particolarmente vicino, la stella più vicina agisce come una lente cosmica naturale, focalizzando e intensificando la luce della stella di sfondo.

I pianeti in orbita attorno alla stella in primo piano possono anche modificare la luce dell'obiettivo, agendo come le proprie minuscole lenti. La distorsione che creano consente agli astronomi di misurare la massa del pianeta e la distanza dalla sua stella ospite. Ecco come WFIRST utilizzerà il microlensing per scoprire nuovi mondi.

Mondi familiari ed esotici

"Cercare di interpretare le popolazioni del pianeta oggi è come cercare di interpretare un'immagine con metà di essa coperta, " ha detto Matthew Penny, un 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 del microlensing di 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 sul microlensing di WFIRST, combinato con i risultati di Kepler e TESS, rivelerà molto di più del quadro."

più di 4, Finora sono stati scoperti 000 esopianeti confermati, ma solo 86 sono stati trovati tramite microlensing. Le tecniche comunemente usate per trovare altri mondi sono orientate verso pianeti che tendono ad essere molto diversi da quelli del nostro sistema solare. Il metodo di transito, Per esempio, è il migliore per trovare pianeti simili a sub-Nettuno che hanno orbite molto più piccole di quelle di Mercurio. Per un sistema solare come il nostro, gli studi sui transiti potrebbero perdere ogni pianeta.

Il sondaggio di microlenti di WFIRST ci aiuterà a trovare analoghi a tutti i pianeti del nostro sistema solare tranne Mercurio, la cui piccola orbita e bassa massa si combinano per metterlo al di fuori della portata della missione. WFIRST troverà pianeti che sono la massa della Terra e anche più piccoli, forse anche grandi lune, come Ganimede, la luna di Giove.

WFIRST troverà pianeti in altre categorie poco studiate, pure. Il microlensing è più adatto per trovare mondi dalla zona abitabile della loro stella e oltre. Questo include giganti di ghiaccio, come Urano e Nettuno nel nostro sistema solare, e persino pianeti canaglia, mondi che vagano liberamente per la galassia non legati a nessuna stella.

Mentre i giganti del ghiaccio sono una minoranza nel nostro sistema solare, uno studio del 2016 ha indicato che potrebbero essere il tipo di pianeta più comune in tutta la galassia. WFIRST metterà alla prova questa teoria e ci aiuterà a comprendere meglio quali sono le caratteristiche planetarie più prevalenti.

Gemme nascoste nel nucleo galattico

WFIRST esplorerà le regioni della galassia che non sono ancora state sistematicamente perlustrate alla ricerca di esopianeti a causa dei diversi obiettivi delle missioni precedenti. Keplero, Per esempio, cercato una regione di modeste dimensioni di circa 100 gradi quadrati con 100, 000 stelle a distanze tipiche di circa mille anni luce. TESS scansiona l'intero cielo e ne traccia 200, 000 stelle, tuttavia le loro distanze tipiche sono di circa 100 anni luce. WFIRST cercherà circa 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 impediscono ad altri telescopi di studiare i pianeti nell'affollata regione centrale della nostra galassia. La maggior parte delle osservazioni di microlenti a terra fino ad oggi sono state in luce visibile, rendendo il centro della galassia un territorio di esopianeti in gran parte inesplorato. Un sondaggio di microlenti condotto dal 2015 utilizzando il telescopio a infrarossi del Regno Unito (UKIRT) alle Hawaii sta spianando la strada al censimento degli esopianeti di WFIRST mappando la regione.

L'indagine UKIRT sta fornendo le prime misurazioni del tasso di eventi di microlenti verso il nucleo della galassia, dove le stelle sono più densamente concentrate. I risultati aiuteranno gli astronomi a selezionare la strategia di osservazione finale per lo sforzo di microlenti di WFIRST.

L'obiettivo più recente del team UKIRT è rilevare gli eventi di microlensing utilizzando l'apprendimento automatico, che sarà vitale per WFIRST. La missione produrrà una quantità di dati così vasta che esaminarla solo a occhio sarà impraticabile. L'ottimizzazione della ricerca richiederà processi automatizzati.

Ulteriori risultati dell'UKIRT indicano una strategia di osservazione che rivelerà il maggior numero possibile di eventi di microlenti evitando le nuvole di polvere più spesse che possono bloccare anche la luce infrarossa.

"La nostra attuale indagine con UKIRT sta gettando le basi affinché WFIRST possa implementare la prima indagine di microlenti dedicata nello spazio, "ha detto Savannah Jacklin, un astronomo alla Vanderbilt University di Nashville, Tennessee che ha condotto diversi studi UKIRT. "Le precedenti missioni sugli esopianeti hanno ampliato la nostra conoscenza dei sistemi planetari, e WFIRST ci avvicinerà di un passo da gigante alla comprensione vera di come i pianeti, in particolare quelli all'interno delle zone abitabili delle loro stelle ospiti, si formano ed evolvono".

Dalle nane brune ai buchi neri

La stessa indagine di microlenti che rivelerà migliaia di pianeti rileverà anche centinaia di altri oggetti cosmici bizzarri e interessanti. Gli scienziati saranno in grado di studiare corpi fluttuanti con masse che vanno da quella di Marte a 100 volte quella del Sole.

La fascia bassa della gamma di massa include pianeti che sono stati espulsi dalle loro stelle ospiti e ora vagano per la galassia come pianeti canaglia. Poi ci sono le nane brune, che sono troppo massicci per essere caratterizzati come pianeti ma non abbastanza massicci per accendersi come stelle. Le nane brune non brillano visibilmente come le stelle, ma WFIRST sarà in grado di studiarli alla luce infrarossa attraverso il calore rimasto dalla loro formazione.

Gli oggetti all'estremità superiore includono cadaveri stellari - stelle di neutroni e buchi neri - lasciati indietro quando le stelle massicce esauriscono il loro carburante. Studiarli e misurare le loro masse aiuterà gli scienziati a capire di più sull'agonia delle stelle, fornendo un censimento dei buchi neri di massa stellare.

"L'indagine sul microlensing di WFIRST non solo farà progredire la nostra comprensione dei sistemi planetari, " disse Penny, "consentirà anche 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 di buchi neri e altri oscuri, oggetti compatti difficili o impossibili da studiare in altro modo."

Il Consolidated Stanziamenti Act FY2020 finanzia il programma WFIRST fino a settembre 2020. La richiesta di budget FY2021 propone di terminare i finanziamenti per la missione WFIRST e concentrarsi sul completamento del James Webb Space Telescope, ora previsto per il lancio nel marzo 2021. L'amministrazione non è pronta a procedere con un altro telescopio multimiliardario fino a quando Webb non sarà stato lanciato e distribuito con successo.