I piani orbitali dei “Giovani Pianeti” non sono inclinati


Figura 1: Illustrazione concettuale di un giovane sistema planetario in orbita attorno a una stella diversa dal Sole.

I ricercatori del Tokyo Institute of Technology, del Centro di Astrobiologia degli Istituti Nazionali di Scienze Naturali e dell’Università delle Hawaii hanno effettuato l’osservazione spettroscopica di due giovani sistemi planetari recentemente scoperti utilizzando il nuovo spettrografo a infrarossi IRD montato sul telescopio Subaru, e hanno determinato che l’asse orbitale del pianeta e l’asse di rotazione della stella erano virtualmente allineati in entrambi questi giovani sistemi planetari. Questa è la prima volta al mondo che si ottiene l’inclinazione orbitale di un pianeta giovane con un’età di circa 20 milioni di anni; questo è un dato estremamente importante per comprendere l’evoluzione dei sistemi planetari.


La ricerca di pianeti che orbitano intorno a stelle diverse dal Sole (esopianeti) si è concentrata sulle stelle della sequenza principale che sono simili al Sole. Uno dei motivi è che questi tipi di stelle hanno bassi livelli di attività superficiale, come flare e macchie stellari, il che rende più facile la ricerca di pianeti. Grazie ai miglioramenti delle tecniche di osservazione degli ultimi anni, tuttavia, gli esopianeti che orbitano vicino a giovani stelle subito dopo la formazione hanno cominciato a essere scoperti.

Poiché si ritiene che le informazioni primordiali relative alla formazione dei pianeti siano ancora relativamente immutate nel caso dei pianeti giovani, essi sono preziosi obiettivi di osservazione per indagare le origini dei sistemi planetari. In particolare, le teorie suggeriscono che l’inclinazione orbitale di un pianeta (l’angolo tra l’asse orbitale del pianeta e l’asse di rotazione della stella, Figura 2) cambia nel tempo a causa delle interazioni gravitazionali tra pianeti e delle interazioni di marea con la stella. Mentre le inclinazioni orbitali di oltre 100 sistemi planetari sono già state studiate, tutte queste osservazioni, tranne una, riguardavano sistemi planetari a sequenza principale con un’età di 1 miliardo di anni o superiore. È necessario esaminare l’inclinazione orbitale dei sistemi planetari giovani per determinare i tipi di orbite che i pianeti hanno quando si formano.

Figura 2: Illustrazioni di sistemi planetari. (a) rappresenta un caso in cui l’asse di rotazione di una stella (linea rossa) è allineato con l’asse orbitale di un pianeta (linea verde), mentre (b) rappresenta un caso in cui l’asse orbitale di un pianeta è disallineato con la rotazione stellare. Le teorie dell’evoluzione dei sistemi planetari prevedono che un disallineamento come (b) risulti da interazioni gravitazionali tra pianeti e interazioni di marea con la stella. Pertanto, è importante osservare l’evoluzione del disallineamento tra l’orbita planetaria e la rotazione della stella in funzione dell’età dei sistemi planetari.

Un team di ricercatori, composto da membri del Tokyo Institute of Technology, dell’Astrobiology Center (ABC) e dell’Università delle Hawaii, si è concentrato su due giovani stelle con pianeti di recente scoperta, “AU Microscopii” (AU Mic) e “K2-25”. AU Mic e K2-25 appartengono rispettivamente a giovani gruppi stellari, il Beta Pictoris Moving Group (di circa 23 milioni di anni) e l’Ammasso Stellare delle Hyades (di circa 600 milioni di anni). 1

Intorno a ciascuna stella è stato trovato un pianeta in transito 2 delle dimensioni di Nettuno. Sebbene le due stelle bersaglio siano fioche e difficili da osservare nella gamma di luce visibile a causa delle loro basse temperature superficiali, sono luminose e facilmente osservabili nella regione dell’infrarosso. Inoltre, si prevede anche che le attività di superficie nelle stelle giovani abbiano meno effetto nella regione dell’infrarosso. Il team di ricerca ha quindi effettuato osservazioni utilizzando il nuovo spettrografo a infrarossi IRD (Infrared Doppler) del Subaru Telescope.

Utilizzando la tecnica dell’ombra Doppler 3, in cui si esamina il movimento dell’ombra di un pianeta in transito nello spettro stellare tenendo conto dell’effetto Doppler, il team ha determinato che l’asse orbitale del pianeta e l’asse di rotazione della stella sono ben allineati in entrambi i casi. In particolare, il pianeta intorno ad AU Mic (AU Mic b), la cui età è stimata intorno ai 20 milioni di anni, è diventato il pianeta più giovane di cui si conosce l’allineamento orbitale.

Il fatto che i piani orbitali di questi giovani pianeti non siano inclinati ha importanti implicazioni per l’interpretazione dei risultati delle precedenti osservazioni. Anche se il piano orbitale dei pianeti del Sistema Solare non è significativamente inclinato, è noto che circa un terzo dei sistemi in cui è stata misurata l’inclinazione orbitale dei pianeti hanno grandi inclinazioni.

Il meccanismo alla base di questo fenomeno e la sua tempistica sono stati oggetto di ricerca per molto tempo. Nel presente studio, il fatto che i piani orbitali di questi giovani pianeti non fossero inclinati suggerisce che le orbite dei pianeti non sono inclinate subito dopo la formazione, e che invece, in alcuni sistemi, il piano orbitale diventa inclinato dopo un certo tempo dalla formazione. Tuttavia, l’osservazione dei sistemi planetari giovani è appena iniziata, e si prevede che l’origine dei pianeti inclinati sarà ulteriormente chiarita effettuando osservazioni simili di altri sistemi planetari giovani in futuro.


Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati come “Limits on the Spin-Orbit Angle and Atmospheric Escape for the 22 Myr Old Planet AU Mic b” di T. Hirano et al. su The Astrophysical Journal Letters, e “Zodiacal exoplanets in time – XI. The orbit and radiation environment of the young M dwarf-hosted planet K2-25b” di E. Gaidos et al. in The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Fonte

  1. Mentre è difficile determinare l’età di una stella, soprattutto per una stella giovane, si presume che le età dei due sistemi planetari siano praticamente le stesse di quelle dei gruppi stellari a cui appartengono.
  2. I sistemi esoplanetari in cui una porzione della superficie della stella viene periodicamente oscurata dal transito del pianeta di fronte alla stella sono noti come “sistemi planetari in transito”. I transiti possono essere osservati se il piano orbitale di un pianeta è quasi allineato con la linea di vista dell’osservatore.
  3. “ombra Doppler” è un modo per analizzare l’ombra di un pianeta nelle linee di assorbimento dello spettro della stella ospite. Le linee di assorbimento stellare sono ampliate a causa dell’effetto Doppler della rotazione stellare. Quando un pianeta in transito blocca una piccola porzione della superficie stellare, l’ombra del pianeta appare nelle linee di assorbimento stellare allargate. L’asse orbitale del pianeta può essere determinato analizzando la variazione temporale dell’ombra del pianeta. Poiché l'”effetto Rossiter-McLaughlin” rappresenta un fenomeno in cui le forme delle linee di assorbimento sono modificate o la velocità radiale stellare sembra essere cambiata dall’ombra del pianeta, l’ombra Doppler può essere descritta come un modo per catturare l’effetto Rossiter-McLaughlin.