Un nuovo studio fornisce la stima più accurata della frequenza con cui pianeti simili alla Terra per dimensioni e distanza dalla loro stella ospite si verificano attorno a stelle simili al nostro Sole. Conoscere la velocità con cui si verificano questi pianeti potenzialmente abitabili sarà importante per la progettazione di future missioni astronomiche per caratterizzare i pianeti rocciosi vicini attorno a stelle simili al sole che potrebbero supportare la vita. Un documento che descrive il modello appare il 14 agosto, 2019 in Il Giornale Astronomico .

Migliaia di pianeti sono stati scoperti dal telescopio spaziale Kepler della NASA. Keplero, che è stato lanciato nel 2009 e ritirato dalla NASA nel 2018 quando ha esaurito la sua scorta di carburante, osservato centinaia di migliaia di stelle e identificato pianeti al di fuori del nostro sistema solare, gli esopianeti, documentando gli eventi di transito. Gli eventi di transito si verificano quando l'orbita di un pianeta passa tra la sua stella e il telescopio, bloccando parte della luce della stella in modo che sembri affievolirsi. Misurando la quantità di oscuramento e la durata tra i transiti e utilizzando le informazioni sulle proprietà della stella, gli astronomi caratterizzano le dimensioni del pianeta e la distanza tra il pianeta e la sua stella ospite.

"Kepler ha scoperto pianeti con un'ampia varietà di dimensioni, composizioni e orbite, " ha detto Eric B. Ford, professore di astronomia e astrofisica alla Penn State e uno dei leader del gruppo di ricerca. "Vogliamo utilizzare queste scoperte per migliorare la nostra comprensione della formazione dei pianeti e per pianificare missioni future alla ricerca di pianeti che potrebbero essere abitabili. Tuttavia, contare semplicemente gli esopianeti di una data dimensione o distanza orbitale è fuorviante, poiché è molto più difficile trovare piccoli pianeti lontani dalla loro stella che trovare grandi pianeti vicini alla loro stella."

Per superare quell'ostacolo, i ricercatori hanno progettato un nuovo metodo per dedurre il tasso di occorrenza dei pianeti in un'ampia gamma di dimensioni e distanze orbitali. Il nuovo modello simula "universi" di stelle e pianeti e poi "osserva" questi universi simulati per determinare quanti dei pianeti sarebbero stati scoperti da Keplero in ciascun "universo".

"Abbiamo utilizzato il catalogo finale dei pianeti identificati da Kepler e migliorato le proprietà delle stelle dalla navicella spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea per costruire le nostre simulazioni, " ha detto Danley Hsu, uno studente laureato alla Penn State e il primo autore dell'articolo. "Paragonando i risultati ai pianeti catalogati da Keplero, abbiamo caratterizzato il tasso di pianeti per stella e come questo dipenda dalle dimensioni del pianeta e dalla distanza orbitale. Il nostro nuovo approccio ha permesso al team di tenere conto di diversi effetti che non sono stati inclusi negli studi precedenti".

I risultati di questo studio sono particolarmente rilevanti per la pianificazione di future missioni spaziali per caratterizzare pianeti potenzialmente simili alla Terra. Mentre la missione Kepler scopriva migliaia di piccoli pianeti, la maggior parte sono così lontani che è difficile per gli astronomi apprendere dettagli sulla loro composizione e atmosfere.

"Gli scienziati sono particolarmente interessati alla ricerca di biomarcatori, molecole indicative della vita, nelle atmosfere di pianeti di dimensioni più o meno della Terra che orbitano nella 'zona abitabile' di stelle simili al Sole, " ha detto Ford. "La zona abitabile è una gamma di distanze orbitali alle quali i pianeti potrebbero sostenere l'acqua liquida sulle loro superfici. La ricerca di prove di vita su pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile di stelle simili al sole richiederà una nuova grande missione spaziale".

Quanto grande deve essere quella missione dipenderà dall'abbondanza di pianeti delle dimensioni della Terra. La NASA e le National Academies of Science stanno attualmente esplorando concetti di missione che differiscono sostanzialmente per dimensioni e capacità. Se i pianeti delle dimensioni della Terra sono rari, quindi i pianeti simili alla Terra più vicini sono più lontani e un grande, sarà necessaria una missione ambiziosa per cercare prove di vita su pianeti potenzialmente simili alla Terra. D'altra parte, se i pianeti delle dimensioni della Terra sono comuni, poi ci saranno esopianeti delle dimensioni della Terra in orbita attorno a stelle vicine al sole e un osservatorio relativamente piccolo potrebbe essere in grado di studiare le loro atmosfere.

"Mentre la maggior parte delle stelle osservate da Keplero sono in genere distanti migliaia di anni luce dal Sole, Keplero ha osservato un campione di stelle abbastanza grande da poter eseguire una rigorosa analisi statistica per stimare il tasso di pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile delle stelle vicine simili al sole", ha detto Hsu.

Sulla base delle loro simulazioni, i ricercatori stimano che i pianeti molto vicini alla Terra per dimensioni, da tre quarti a una volta e mezzo le dimensioni della terra, con periodi orbitali che vanno da 237 a 500 giorni, si verificano circa una stella su quattro. È importante sottolineare che il loro modello quantifica l'incertezza in quella stima. Raccomandano che le future missioni di ricerca dei pianeti pianifichino un tasso reale che vada da un minimo di circa un pianeta ogni 33 stelle a quasi un pianeta ogni due stelle.

"Sapere quanto spesso dovremmo aspettarci di trovare pianeti di una data dimensione e periodo orbitale è estremamente utile per ottimizzare i sondaggi per gli esopianeti e la progettazione delle prossime missioni spaziali per massimizzare le loro possibilità di successo, " ha detto Ford. "Penn State è leader nel fornire metodi statistici e computazionali all'avanguardia per l'analisi delle osservazioni astronomiche per affrontare questo tipo di domande. Il nostro Institute for CyberScience (ICS) e il Center for Astrostatistics (CASt) forniscono infrastrutture e supporto che rendono possibili questi tipi di progetti."

Il Center for Exoplanets and Habitable Worlds a Penn State comprende docenti e studenti coinvolti nell'intero spettro della ricerca sui pianeti extrasolari. Un team della Penn State ha costruito l'Habitable Zone Planet Finder, uno strumento per cercare pianeti di piccola massa attorno a stelle fredde, che di recente ha iniziato le operazioni scientifiche presso il telescopio Hobby-Eberly, di cui Penn State è socio fondatore. Un secondo spettrografo costruito dalla Penn State è in fase di test prima di iniziare un'indagine complementare per scoprire e misurare le masse dei pianeti di piccola massa attorno a stelle simili al sole. Questo studio fa previsioni su ciò che troveranno queste indagini planetarie e aiuterà a fornire un contesto per interpretare i loro risultati.

Oltre a Ford e Hsu, il team di ricerca comprende Darin Ragozzine e Keir Ashby della Brigham Young University. La ricerca è stata supportata dalla NASA; la National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti; e l'Eberly College of Science, il Dipartimento di Astronomia e Astrofisica, il Centro per pianeti extrasolari e mondi abitabili, e il Centro per l'astrostatistica a Penn State. Risorse e servizi informatici avanzati sono stati forniti dal Penn State Institute for CyberScience, compreso il cluster CyberLAMP finanziato dalla NSF.