Esopianeta: un mondo con il doppio della massa della Terra ma le dimensioni di Saturno

Kepler-51b pesa circa il doppio della massa della Terra, eppure si gonfia fino a raggiungere quasi le dimensioni di Saturno, un pianeta che supera la massa terrestre di cento volte. Questo squilibrio tra massa e dimensioni è proprio il motivo per cui gli esopianeti, mondi che orbitano attorno a stelle diverse dal Sole, continuano a sorprendere gli astronomi che li studiano.

Appena tre decenni fa, nessuno aveva confermato un solo pianeta al di fuori del sistema solare. Oggi ne sono catalogati a migliaia, e il conteggio continua a salire man mano che telescopi spaziali e osservazioni da terra affinano la ricerca. Questa guida raccoglie le scoperte, i casi limite e la fisica che rendono gli esopianeti uno dei campi più vivaci dell'astronomia.

I primi esopianeti confermati non erano i mondi accoglienti e simili alla Terra promessi dalla fantascienza. Erano due pianeti di massa terrestre trovati in orbita attorno a una pulsar al millisecondo, il residuo collassato e in rapidissima rotazione di una stella morta, annunciati nel 1992 da Aleksander Wolszczan e Dale Frail. Le pulsar emettono impulsi radio con una precisione così regolare che minime irregolarità nella loro cadenza tradivano la gravità di compagni invisibili.

Tre anni dopo arrivò una scoperta che sembrò più familiare. Nel 1995 gli astronomi trovarono il primo esopianeta confermato attorno a una stella di sequenza principale simile al Sole, in un'orbita stretta di quattro giorni intorno a 51 Pegasi. I ricercatori lo individuarono con uno spettroscopio abbastanza preciso da cogliere variazioni di velocità di circa 70 metri al secondo nella luce della stella, il debole tiro gravitazionale di un pianeta in orbita che fa oscillare avanti e indietro la propria stella. Quella precisione strumentale, capace di rilevare un'oscillazione più lenta di una corsetta leggera, è ciò che ha trasformato la caccia agli esopianeti da speculazione a scienza ripetibile.

Non tutti gli esopianeti rientrano nelle ordinate categorie che gli astronomi hanno costruito a partire dai nostri otto pianeti. Kepler-51b ha solo circa il doppio della massa della Terra, eppure il suo volume si gonfia fino a quasi le dimensioni di Saturno, un pianeta cento volte più pesante. Un pianeta così voluminoso rispetto alla sua massa deve avere una densità straordinariamente bassa, il che suggerisce un'atmosfera così estesa e leggera da riuscire a malapena a tenersi insieme.

Gli squilibri tra massa e dimensioni vanno in entrambe le direzioni. Tra le voci dell'Exoplanet Archive della NASA, nessuno supera in massa HR 2562 b, che raggiunge circa 30 volte la massa di Giove, già il pianeta più massiccio del nostro sistema solare. All'estremo opposto, un'indagine più ampia su migliaia di esopianeti ha individuato uno schema nel modo in cui si muovono piuttosto che nelle loro dimensioni: i pianeti grandi tendono ad assestarsi su orbite ellittiche, mentre i pianeti più piccoli prediligono percorsi più vicini alla circolarità. Nessuno progetta un sistema planetario in questo modo; è semplicemente ciò che la gravità e i detriti residui producono nell'arco di miliardi di anni.

Alcuni esopianeti non si limitano a orbitare attorno alla propria stella: si disintegrano lentamente davanti a essa. Uno di questi mondi condannati, individuato da Kepler, compie un giro completo attorno alla sua stella ospite in appena 16 ore e si trascina dietro una coda simile a quella di una cometa, fatta di polvere fatta evaporare dalla sua stessa superficie. Gli astronomi lo hanno individuato solo perché quella nube di polvere attenua periodicamente la luce della stella al suo passaggio, una firma diversa dalle attenuazioni pulite e ripetibili di un pianeta intatto.

Cogliere un pianeta in questo stato ha richiesto di osservare un numero enorme di stelle contemporaneamente, esattamente ciò per cui Kepler era stato costruito: il telescopio monitorava simultaneamente oltre 145.000 stelle, alla ricerca del breve e lieve calo di luminosità che segnala un esopianeta in transito. La maggior parte dei pianeti scoperti in questo modo si comporta normalmente. Questo si è distinto proprio perché non lo faceva.

Tra le scoperte di Kepler, Kepler-452b si è guadagnato un soprannome per un buon motivo. Il pianeta è circa il 60 percento più grande della Terra e orbita attorno a una stella di tipo G2, la stessa classe generale del Sole, con la differenza che questa ha già accumulato 6 miliardi di anni, ben 1,5 miliardi in più di quanti ne abbia visti la nostra stella. Jon Jenkins, responsabile dell'analisi dei dati Kepler, lo ha definito "un cugino più vecchio e più grande della Terra", uno che permette agli scienziati di "comprendere e riflettere sull'evoluzione dell'ambiente terrestre".

Ciò che rende notevole l'orbita di Kepler-452b è quanto appaia ordinaria nonostante le dimensioni maggiori del pianeta: un giro completo richiede 385 giorni, appena il 5 percento in più di quanto serva alla Terra per un giro attorno al Sole. Ci si aspetterebbe che un pianeta così più grande si trovi molto più lontano dalla propria stella, eppure i numeri risultano sorprendentemente vicini a quelli di casa nostra, un promemoria del fatto che dimensioni e distanza orbitale non crescono automaticamente insieme.

Comprendere l'interno di un pianeta è più difficile che individuarlo in primo luogo, dato che nessun telescopio può vedere attraverso le nuvole di un pianeta. Gli esperimenti di laboratorio colmano questa lacuna ricreando le pressioni schiaccianti presenti nel profondo dei giganti gassosi. Comprimere l'idrogeno, sotto forma di deuterio, fino a circa 150 gigapascal di pressione lo fa passare da uno stato trasparente a uno opaco, una soglia rilevante per modellare ciò che accade all'interno dei massicci esopianeti giganti gassosi e dei loro cugini del sistema solare. Risultati come questi permettono agli astronomi di tradurre la massa e il raggio misurati di un pianeta in un'ipotesi fondata sulla sua struttura interna, dato che due pianeti con statistiche esterne identiche possono nascondere interni molto diversi.

La stella più vicina al Sole si è rivelata ospitare un proprio pianeta. Proxima Centauri b, scoperto in orbita attorno a quella stella vicina, completa un'orbita ogni 11,2 giorni terrestri a una distanza di appena circa 0,04848 UA, più vicina di quanto Mercurio non lo sia rispetto al Sole. Essere così vicino alla propria stella è ciò che mantiene il pianeta abbastanza caldo da destare interesse, nonostante orbiti attorno a una stella molto più debole del Sole.

Leggermente più lontano, nella ricerca di sistemi planetari vicini, TRAPPIST-1 ha regalato un tipo di premio diverso. Il suo sistema planetario fu scoperto nel 2016 da un team guidato dall'astronomo belga Michael Gillon, utilizzando osservazioni dall'Osservatorio di La Silla in Cile, rivelando una compatta famiglia di pianeti raggruppati attorno a una stella piccola e fredda. Trovare un intero sistema in un'unica campagna osservativa, anziché un pianeta alla volta, ha cambiato il modo in cui gli astronomi pianificano le future indagini.

Ogni esopianeta discusso finora appartiene alla nostra galassia. Questo limite è rimasto valido finché i ricercatori non hanno combinato l'osservatorio a raggi X Chandra della NASA con una tecnica di microlensing, osservando una galassia quasar distante alla ricerca delle tracce lasciate da pianeti invisibili che ne deviavano la luce. L'analisi ha trovato prove di circa 2.000 pianeti extragalattici per ogni stella al di là della Via Lattea. È stato il primo dato a suggerire che la nostra galassia sia solo un'isola tra un numero di esopianeti che supera i mille miliardi una volta guardati oltre di essa, un numero così grande da trasformare i singoli pianeti in un rumore di fondo statistico piuttosto che in oggetti discreti da catalogare uno per uno.

Gli strumenti costruiti per cogliere l'oscillazione di una singola stella o l'attenuazione di una singola curva di luce non erano mai stati progettati pensando a mille miliardi di pianeti. Il fatto che gli stessi principi di rilevamento, minuscole distorsioni gravitazionali e ottiche, si adattino da un singolo sistema stellare a un'intera galassia di pianeti dice molto sull'ingegnosità dei metodi quanto sulla diffusione effettiva dei pianeti.

L'hardware stesso di Kepler illustra quanta precisione richieda questa caccia. Il suo specchio primario misurava 1,4 metri di diametro e, al momento del lancio di Kepler, nessun altro telescopio in orbita oltre l'atmosfera terrestre ne aveva uno più grande, un record che l'Osservatorio spaziale Herschel gli avrebbe tolto solo pochi mesi dopo. Costruire uno strumento di quelle dimensioni, e puntarlo verso lo stesso lembo di cielo per anni, è stato il prezzo da pagare per cogliere i transiti deboli e ripetuti che rivelano un pianeta delle dimensioni della Terra.

Ogni generazione della scienza degli esopianeti si è basata sulla precedente: la cronometria delle pulsar ha lasciato spazio alle oscillazioni stellari, le oscillazioni stellari hanno lasciato spazio alla fotometria di transito che osserva centinaia di migliaia di stelle contemporaneamente, e la fotometria di transito ora si estende fino a galassie oltre la nostra. La prossima sorpresa, che si tratti di un pianeta più strano di Kepler-51b o di prove capaci di ridefinire quanto siano davvero comuni i pianeti, è probabilmente già nascosta in dati in attesa di essere analizzati.

• ScienceDaily: Under Pressure, Hydrogen Offers a Reflection of Giant Planet Interiors
• NASA: Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth
• Phys.org: Evaporating Exoplanet Stirs Up Dust
• National Geographic: New Discovery Says Exoplanets May Exist Outside the Milky Way Galaxy
• Wikipedia: Exoplanet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler space telescope
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1