Gli astronomi dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hanno appreso che la composizione chimica di una stella può esercitare un'influenza inaspettata sul suo sistema planetario, una scoperta resa possibile da un'indagine SDSS in corso sulle stelle viste dalla navicella spaziale Kepler della NASA, e uno che promette di espandere la nostra comprensione di come si formano ed evolvono i pianeti extrasolari.

"Senza queste misurazioni dettagliate e accurate del contenuto di ferro delle stelle, non avremmo mai potuto fare questa misurazione, "dice Robert Wilson, uno studente laureato in astronomia presso l'Università della Virginia e autore principale del documento che annuncia i risultati.

Il team ha presentato oggi i risultati all'incontro dell'American Astronomical Society (AAS) a National Harbor, Maryland. Utilizzando i dati SDSS, hanno scoperto che le stelle con maggiori concentrazioni di ferro tendono ad ospitare pianeti che orbitano abbastanza vicino alla loro stella ospite, spesso con periodi orbitali inferiori a circa otto giorni, mentre le stelle con meno ferro tendono ad ospitare pianeti con periodi più lunghi che sono più distanti da la loro stella ospite. Ulteriori indagini su questo effetto possono aiutarci a comprendere l'intera varietà di sistemi planetari extrasolari nella nostra Galassia, e far luce sul motivo per cui i pianeti si trovano dove si trovano.

La storia dei pianeti intorno a stelle simili al sole è iniziata nel 1995, quando un team di astronomi ha scoperto un singolo pianeta in orbita attorno a una stella simile al sole a 50 anni luce dalla Terra. Il ritmo della scoperta è accelerato nel 2009, quando la NASA ha lanciato la navicella spaziale Kepler, un telescopio spaziale progettato per cercare pianeti extrasolari. Durante i suoi quattro anni di missione primaria, Keplero monitorava migliaia di stelle alla volta, osservando il minuscolo oscuramento della luce stellare che indica un pianeta che passa davanti alla sua stella ospite. E poiché Keplero ha guardato le stesse stelle per anni, ha visto i loro pianeti più e più volte, ed è stato così in grado di misurare il tempo che il pianeta impiega per orbitare attorno alla sua stella. Questa informazione rivela la distanza da stella a pianeta, con pianeti più vicini che orbitano più velocemente di quelli più lontani. Grazie all'instancabile monitoraggio di Keplero, il numero di esopianeti con periodi orbitali noti è aumentato drasticamente, da circa 400 nel 2009 a più di 3, 000 oggi.

Sebbene Kepler sia stato progettato perfettamente per individuare i pianeti extrasolari, non è stato progettato per conoscere le composizioni chimiche delle stelle attorno alle quali orbitano quei pianeti. Questa conoscenza proviene dall'Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) dell'SDSS. che ha studiato centinaia di migliaia di stelle in tutta la Via Lattea. APOGEE funziona raccogliendo uno spettro per ogni stella, una misura di quanta luce la stella emette a diverse lunghezze d'onda (colori) della luce. Poiché gli atomi di ciascun elemento chimico interagiscono con la luce in modo caratteristico, uno spettro consente agli astronomi di determinare non solo quali elementi contiene una stella, ma anche quanto, per tutti gli elementi compreso l'elemento chiave ferro.

"Tutte le stelle simili al sole sono per lo più idrogeno, ma alcuni contengono più ferro di altri, " dice Johanna Teske del Carnegie Institution for Science, un membro del gruppo di ricerca. "La quantità di ferro contenuta in una stella è un indizio importante su come si è formata e su come si evolverà nel corso della sua vita".

Combinando i dati di queste due fonti, orbite planetarie di Kepler e chimica stellare di APOGEE, gli astronomi hanno appreso le relazioni tra queste stelle "arricchite di ferro" e i sistemi planetari che contengono.

"Sapevamo che l'arricchimento dell'elemento di una stella avrebbe avuto importanza per la sua stessa evoluzione, "dice Teske, "Ma siamo rimasti sorpresi di apprendere che è importante anche per l'evoluzione del suo sistema planetario".

Il lavoro presentato oggi si basa su lavori precedenti, guidato da Gijs Mulders dell'Università dell'Arizona, utilizzando un campione di spettri più grande ma meno preciso del progetto LAMOST-Kepler. (LAMOST, il telescopio spettroscopico in fibra multioggetto di grande area, è un rilevamento del cielo cinese.) Mulder e collaboratori hanno trovato una tendenza simile—pianeti più vicini che orbitano attorno a stelle più ricche di ferro—ma non hanno definito il periodo critico di otto giorni.

"È incoraggiante vedere una conferma indipendente della tendenza che abbiamo riscontrato nel 2016, "dice Mulders. "L'identificazione del periodo critico mostra davvero che Keplero è il dono che continua a dare."

Ciò che sorprende particolarmente del nuovo risultato, Wilson ha spiegato, è che le stelle arricchite di ferro hanno solo circa il 25% in più di ferro rispetto alle altre nel campione. "È come aggiungere cinque ottavi di un cucchiaino di sale in una ricetta per cupcake che richiede mezzo cucchiaino di sale, tra tutti gli altri suoi ingredienti. Mangerei ancora quel cupcake, " dice. "Questo ci mostra davvero come anche piccole differenze nella composizione stellare possono avere impatti profondi sui sistemi planetari".

Ma anche con questa nuova scoperta, agli astronomi rimangono molte domande senza risposta su come si formano ed evolvono i pianeti extrasolari, in particolare i pianeti delle dimensioni della Terra o leggermente più grandi ("super-Terre"). Le stelle ricche di ferro formano intrinsecamente pianeti con orbite più corte? Oppure è più probabile che i pianeti in orbita attorno a stelle ricche di ferro si formino più lontano e poi migrino verso un periodo più breve, orbite più vicine? Wilson e collaboratori sperano di lavorare con altri astronomi per creare nuovi modelli di dischi protoplanetari per testare entrambe queste spiegazioni.

"Sono entusiasta del fatto che abbiamo ancora molto da imparare su come le composizioni chimiche delle stelle influiscono sui loro pianeti, in particolare su come si formano i piccoli pianeti, " dice Teske. "Inoltre, APOGEE fornisce molte più abbondanze chimiche stellari oltre al ferro, quindi ci sono probabilmente altre tendenze sepolte all'interno di questo ricco set di dati che dobbiamo ancora esplorare".