Esplorando nuovi mondi alla ricerca di un’altra Terra

6 Aprile 2020 / Commenti disabilitati su Esplorando nuovi mondi alla ricerca di un’altra Terra

Astrobiologia

Corrado Ruscica

Per secoli, ci siamo sempre chiesti se siamo gli unici esseri intelligenti che popolano l’Universo.
Sin già dai tempi del Medioevo si pensava che dovessero esistere altri mondi e qualcuno di questi avrebbe ospitato forse una qualche forma di vita. Oggi, grazie allo sviluppo tecnologico e scientifico, possiamo cominciare a dare una risposta a queste domande.

La scoperta di numerosi pianeti extrasolari attorno ad altri sistemi stellari ci dice che il nostro Sistema Planetario non è unico. I pianeti extrasolari sembrano essere un fenomeno comune almeno nelle immediate vicinanze del nostro Sistema Solare.

I pianeti extrasolari scoperti finora sono corpi giganti, come Giove e Saturno. Essi non possono ospitare forme di vita almeno come noi la conosciamo. Alcuni di questi sistemi planetari potrebbero però contenere corpi più piccoli, cioè pianeti di tipo terrestre come appunto la Terra e Marte.

Nel corso dei prossimi 15 anni, l’ente spaziale americano NASA, sta programmando una serie di missioni per cercare di esplorare questi nuovi mondi. Si tratterà degli strumenti più sensibili e sofisticati mai costruiti capaci di rivelare nuovi dettagli oltre il nostro Sistema Solare.

Rappresentazione artistica del Terrestrial Planet Finder – Credit: JPL


Ad esempio, l’interferometro Keck raccoglierà la luce dei due più grandi telescopi ottici esistenti permettendoci di estendere la nostre conoscenze fino a distanze mai raggiunte prima. Infatti, mediante la tecnica dell’interferometria, l’interferometro Keck potrà osservare la polevere attorno alle stelle dove si stanno formando i pianeti. Inoltre, si potranno ottenere immagini dirette dei pianeti giganti al di fuori del Sistema Solare.


La Missione di Interferometria Spaziale (SIM) avrà il compito di misurare le distanze e le posizioni delle stelle con una elevata precisione.
Le osservazioni di SIM saranno fondamentali per rivelare la presenza di pianeti di poco più grandi della Terra.

Immagine artistica di un possibile pianeta di tipo terrestre

Infine, il Cacciatore Terrestre di Pianeti, con il suo potere esplorativo 100 volte maggiore rispetto al telescopio spaziale Hubble, ci fornirà le prime immagini di sistemi planetari vicini.

Grazie a queste missioni, avremo la capacità di analizzare le atmosfere dei nuovi pianeti, scoprire se sono composte di anidride carbonica, di acqua o di ozono. La presenza di questi elementi dovrebbe suggerire l’esistenza di una qualche forma di vita. Solo allora, potremo dire di aver trovato una nuova Terra!

Dall’intuizione alla scoperta

Nel 1584, quando Giordano Bruno asserì che c’erano presumibilmente numerosi soli e pianeti in orbita attorno alle loro stelle, egli fu accusato di eresia. Ma anche ai tempi di Giordano Bruno, l’idea di nuovi mondi non era completamente nuova. Già durante l’epoca degli antichi greci, i pensatori speculavano sulla esistenza di altri sistemi planetari e sul fatto che su qualcuno di essi poteva esistere una qualche forma di vita.

Edwin Hubble al telescopio di Monte Wilson – Credit: JPL

Ben presto, nel 16° secolo, la Terra venne detronizzata come unica e suprema entità nel Cosmo quando l’astronomo polacco Copernico dimostrò che era il Sole al centro del sistema planetario. Le sue idee, sebbene riluttanti, cambiarono la visione scientifica del pensiero occidentale dell’epoca.

All’alba del 20° secolo, l’astronomo americano Edwin Hubble, utilizzando quello che era considerato il telescopio più grande in quel periodo, a Monte Wilson, scoprì che le piccole nebulose erano in realtà “isole immense di stelle” distanti dalla nostra Via Lattea, ciascuna contenente a sua volta centinaia di miliardi di stelle.

Le osservazioni di Hubble avevano dimostrato che potevano esistere innumerevoli e potenziali pianeti abitabili nell’Universo. Trascorse più di un secolo senza esserci una prova convincente dell’esistenza di pianeti attorno alle stelle più vicine. Anche se in varie occasioni si annunciava la scoperta di nuovi sistemi planetari, essa veniva rifiutata

Dato che i pianeti sono troppo piccoli e distanti per essere osservati direttamente, gli astronomi hanno cercato di distinguerli studiando gli effetti che essi hanno sulla stella ospite. Infatti, durane la fine degli anni Sessanta, l’astronomo Peter van de Kamp annunciò di aver scoperto due pianeti utilizzando questa tecnica.


Nuove prospettive per la ricerca di altri pianeti si ebbero negli anni Ottanta quando Bradford Smith, dell’Università dell’Arizona e Richard Terrile, del Jet Propulsion Laboratory, eseguirono delle osservazioni all’infrarosso di un disco di polvere attorno alla stella Beta Pictoris.

La loro scoperta rappresentava la prima prova, senza alcun dubbio, che dischi di polvere esistono attorno a stelle al di fuoridel Sistema Solare. Beta Pictoris è un sistema planetario giovane in formazione e supporta il modello standar della nascita del Sistema Solare secondo il quale i pianeti nascono dall’accrescimento di materia da un disco di gas e polveri in rotazione attorno a una giovane stella.

Ma la vera scoperta di un pianeta extrasolare si ha nel 1994 quando Alexander Wolszczan, unradio astronomo all’Università della Pensilvania, riportò quello che egli definì una “prova certa” di un sistema extrasolare.

Mentre gli scienziati accettavano la sua affermazione, gli altri che speravano di avere delle prove direttesull’esistenza di sistemi planetari simili al nostro, erano meno entusiasti. Wolszczan aveva scoperto due o tre pianeti in orbita attorno a una stella pulsar piuttosto che ad una stella normale, nella costellazione della Vergine. Una pulsar è un sistema stellare denso e compatto, in rapida rotazione, stadio finale dell’evoluzione stellare che ha portato la stella originiaria all’esplosione creando un resto di supernova.

La scoperta di Wolszczan si basava sull’osservazione di variazioni regolari negli impulsi radio provenienti dalla pulsar, indicando la presenza di effetti gravitazionali complessi causati dai corpi celesti in orbita attorno alla pulsar.

Naturalmente, la presenza di pianeti attorno a stelle pulsar non può essere considerata come probabile per la formazione e lo sviluppo di qualche forma di vita, almeno come noi la conosciamo. Questi mondi sarebbero perennemente soggetti a radiazione di alta energia con una superficie ostile.

La prima vera scoperta di un pianeta in orbita attorno ad una stella simile al Sole si ebbe nel 1995. Il gruppo di ricerca svizzero, guidato da Michel Mayor e Didier Queloz di Ginevra, annunciò la scoperta di un pianeta in rapida rotazione localizzato nel sistema stellare di 51 Pegasi. Il pianeta avrebbe avuto una massa compresa tra 0,5 – 2 la massa di Giove. Il pianeta era stato rivelato da osservazioni indirette mediane la tecnica della velocità radiale.

Questa fu la prima delle numerose altre scoperte che si ebbero nel corso degli altri anni. Tre mesi più tardi, un gruppo di ricerca dell’Università di San Francisco e dell’Università della California, guidato da Geoffrey Marcy e Paul Butler, confermarono la scoperta del gruppo svizzero e aggiunsero altri due pianeti. Dalla fine del 20° secolo, sono numerose decine i pianeti extrasolari scoperti, alcuni di essi il risultato della ricerca di mesi o di anni di osservazioni.

Alcuni di questi sistemi planetari, come 51 Pegasi, appaiono strani, con brevi periodi orbitali e orbite eccentriche quasi vicine alla stella. Ma più recentemente, gli astronomi hanno trovato pianeti che assomigliano ai pianeti esterni del nostro Sistema Solare, con orbite circolari e periodi orbitali più lunghi.

La scoperta di nuovi sistemi planetari viene oggi attribuita, da parte degli astronomi, ai seguenti sviluppi tecnologici:

  • nuovi spettrometri, strumenti che permettono diseparare la luce stellare nelle sue componenti;
  • migliori sensori elettronici che registrano la luce stellare che viene raccolta dai sistemi ottici del telescopio;
  • nuovi programmi elettronici che permettono di distinguere in modo attendibile la luce stellare ed il moto causato dagli effetti gravitazionali dei corpi vicini non visibili.

Tutti i pianeti scoperti sono per la maggior parte di tipo Giove, corpi di grande massa, che non possono essere considerati dei sistemi adatti per ospitare la vita. Inoltre, molti di essi hanno periodi orbitali brevi. Se pianeti come la Terra esistono, con masse più piccole e lunghi periodi orbitali, la loro scopertà richiederà una strumentazione più sensibile e anni di intense osservazioni.

Il sogno infatti di osservare pianeti extrasolari simili alla Terra rimane ancora da essere realizzato e l’idea che il nostro Sistema Solare non sia unico si è spostata dalla speculazione filosofica, per così dire, alla realtà. Queste scoperte hanno il potenziale di spostare il pensiero umano sullo stesso piano di quello che è stata la rivoluzione copernicana.

I metodi di rivelazione di nuovi mondi

I primi pianeti ad essere scoperti attorno a stelle vicine sono stati rivelati indirettamente grazie agli effetti gravitazionali che essi hanno sulla stella centrale. In questo modo, gli astronomi hanno potuto trovare pianeti enormi, giganti, di tipo Giove dove la vita non potrà mai esistere. Le missioni future, come ad esempio la Terrestrial Planet Finder, cercheranno di ottenere delle evidenze dirette di pianeti più piccoli simili alla Terra.

Rappresentazione artistica di un pianeta di grande massa, tipo Giove, vicino ad una stella.

Le problematiche relative alla scoperta di nuovi pianeti si basano principalmente su tre fatti:

  • i pianeti non producono luce propria, tranne quando sono giovani;
  • essi si trovano a grandi distanze da noi;
  • essi sono immersi nella luce della stella vicina.

Ad esempio, se ci fosse un pianeta in orbita attorno a Proxima Centauri, la stella più vicina, sarebbe circa 7000 volte più distante di Plutone. E’ come essere seduti a Milano e guardare una farfalla notturna in prossimità di un faro nella città di Roma!

Vediamo allora quali sono i metodi principali per rivelare i pianeti extrasolari.

Spostamento Doppler

Questo metodo è stato utilizzato con più successo. Le precise misure della velocità o i cambiamenti della posizione delle stelle ci permettono di misurare l’estensione del moto della stella dovuto all’influenza gravitazionale del pianeta.

Da questa informazione, gli astronomi possono dedurre la massa e l’orbita del pianeta. Queste variazioni possono essere ottenute analizzando lo spettro della luce, cioè dallo spostamento Doppler delle righe spettrali che si muovono verso la parte rossa e blu dello spettro a causa del moto della stella. Più grosso è il pianeta e più vicino si trova alla stella che perciò si muove molto velocemente intorno al comune centro di massa.

Astrometria

Spostamento astrometrico del Sole dovuto a Giove come apparirebbe se osservato alla distanza di circa 33 anni-luce.

Questa tecnica dipende dal movimento della stella causato dalla presenza del pianeta orbitante. In questo caso, gli astronomi cercano piccoli spostamenti delle stelle proiettate nel cielo.

Un importante obiettivo della Missione di Interferometria Spaziale sarà quello di rivelare proprio la presenza di pianeti di piccole dimensioni, cioè di tipo terrestre, che orbitano attorno a sistemi stellari vicini mediante la tecnica dell’astrometria. In modo similare, l’Interferometro di Keck condurrà unaosservazione su tutto il cielo di centinaia di sistemi stellari alla ricerca di pianeti che hanno masse paragonabili a quelle di Urano.

Metodo del transito

Se un pianeta transita tra la Terra e la stella centrale, lungo la linea di vista, esso blocca una piccola frazione della luce stellare e ne riduce l’apparente luminosità.

Strumenti sensibili possono rivelare questo calo periodico della luminosità. Dal periodo e dalla profondità della curva di luce, possono essere ricavati l’orbita e la dimensione del pianeta compagno. Naturalmente, pianeti piccoli causeranno un effetto minore e viceversa.

Lente Gravitazionale

Questo metodo deriva dalla teoria della relatività generale di Einstein: la gravità curva lo spazio. Noi di solito pensiamo che la luce viaggi in linea retta però essa può essere deviata dalla sua traiettoria quando si trova nelle vicinanze di un campo gravitazionale, come ad esempio quello prodotto da una stella.

Se un pianeta si interpone, lungo la linea di vista, tra la Terra e la stella centrale, l’influenza gravitazionale del pianeta si fa sentire, deviando i raggi di luce provenienti dalla stella. Il pianeta funge perciò da lente che focalizza i raggi luminosi della stella, incrementa, temporaneamente, la sua luminosità e determina uno spostamento apparente della sua posizione.

Osservazione diretta

Dato che i pianeti non emettono luce propria, l’osservazione diretta diventa difficile. Le missioni spaziali, come Terrestrial Planet Finder, faranno uso di tecnologie avanzate con le quali sarà possibile trattare la radiazione elettromagnetica associata a corpi celesti deboli in maniera tale da cambiare la nostra visione nell’esplorazione di sistemi planetari extrasolari.

Una nuova finestra nell’Universo

E’ molto difficile e complicato realizzare un’immagine fotografica di un pianeta extrasolare date le sue dimensioni e la sua vicinanza alla stella centrale. Il pianeta appare molto debole poichè riflette la luce della stella e non splende di luce propria.

Alcune delle 27 antenne che formano il radio interferometro del Very Large Array a Socorro,nel Nuovo Messico – Credit: NRAO

Il pianeta è così vicino alla stella che non è possibile “separarli” tecnicamente.Per ovviare a questi problemi e per capire se un pianeta extrasolare simile alla Terra può ospitare la vita, dobbiamo necessariamente sviluppare altri metodi rispetto ai tradizionali telescopi. Uno di questi metodi è l’interferometria ottica che è stata identificata dalla NASA come uno dei progetti chiave nel programma di ricerca di vita nei pianeti extrasolari.

L’interferometria ottica combina la luce di vari telescopi per ottenere le informazioni che sarebbero realizzare con un singolo telescopio molto più grande. Questo è possibile grazie all’interazione delle onde elettromagnetiche nel fenomeno dell’interferenza. Possiamo dire che il termine interferometria deriva dalla combinazione delle parole interferenza e misura.

La tecnica dell’interferometria è stata utilizzata a lungo nella radio astronomia per osservare galassie e quasar distanti al fine di studiarne la loro morfologia e la loro fenomenologia. L’interferometria ottica è giovane ed è solo maturata per così dire circa 15 anni fa.

Vediamo allora quali sono le tecniche in corso di studio che ci permetteranno di risolvere alcuni problemi legati all’ottenimento di un’immagine di un pianeta extrasolare.

Coronografi

L’interferometro Keck – Credit: Keck Observatory

Sono stati realizzati originariamente per studiare il Sole. Il coronografo è un telescopio che permette di bloccare la luce del disco solare in modo da vedere le regioni nell’intorno del disco stesso, cioè della corona. Il coronografo è stato inventato nel 1930 da B. Lyot per studiare la corona solare non necessariamente durante una eclissi totale di Sole.

Questa tecnologia è in fase di studio per essere adattata alle osservazioni di regioni stellari distanti alla ricerca di sistemi planetari. Una possibilità che si sta studiando è quella di combinare la coronografia con l’interferometria. Un coronografo potrebbe incorporare uno spettrometro per rivelare, dalle analisi delle righe spettrali causate dagli elementi chimici, i segni di una qualche possibile forma di vita.

Interferometri

Rappresentazione artistica della futura missione StarLight

Una via alternativa per ottenere un’immagine di un pianeta extrasolare è quella di rimpiazzare uno specchio molto grande con una serie di specchi più piccoli in modo tale da ottenere una risoluzione angolare (potere esplorativo) analoga a quella di un singolo telescopio di dimensioni pari alla separazione degli elementi più distanti.

Gli interferometri permettono di avere elevati poteri esplorativi. Questo significa che sono in grado di distinguere quale parte di luce proviene da una sorgente stellare. Inoltre, un interferometro può operare in modo che la luce che proviene ad esempio dalla stella centrale sia “annullata”  mentre quella dei corpi vicini sia osservata normalmente.

L’interferometro Keck utilizzerà questa tecnica di oscuramento della luce delle stelle centrali per osservare i pianeti extrasolari.

Coreografie spaziali

La NASA sta studiando la possibilità di mettere in orbita due o più telescopi per cercare nuovi pianeti extrasolari e possibili segni di vita extraterrestre.

Due o più telescopi possono essere combinati per ottenere un elevato potere eplorativo simulando un telescopio di maggiori dimensioni. Per ottenere le immagini di pianeti delle dimensioni della Terra, i telescopi devono essere separati nello spazio di migliaia di chilometri. Naturalmente, non è possibile costruire una struttura rigida di tali dimensioni e perciò la tecnica della “formazione in volo” viene in aiuto.

La missione denominata Luce Stellare dovrebbe aprire la strada a questo tipo di osservazioni. Due telescopi nello spazio separati ad una distanza delle dimensioni di un campo di calcio.

Questa tecnica presenta però delle difficoltà:

  • le sonde spaziali dovranno essere dotate di sistemi di controllo e sensori tali da mantenere le posizioni con un elevato grado di precisione;
  • le sonde spaziali dovranno essere dotate di sistemi di controllo e sensori tali da localizzare l’oggetto desiderato;
  • le sonde spaziali dovranno essere in grado di comunicare tra di loro.

In conclusione, possiamo dire che per i prossimi 15 anni, la NASA sarà impegnata a sviluppare e a progettare una serie di missioni che avranno, come scopo primario, la ricerca di nuovi mondi. Gli strumenti saranno il frutto di ricerche e di  tecnologie avanzate che permetteranno di raggiungere quella sensibilità e potere esplorativo mai ottenuti prima per cercare di rispondere ad una dello domande più affascinanti del genere umano: siamo soli ?