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WFIRST utilizzerà la deformazione dello spazio-tempo per scovare nuovi esopianeti

03 aprile 2020
Il WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) della NASA cercherà i pianeti al di fuori del nostro Sistema Solare nel centro della nostra galassia, la Via Lattea, dove si collocano la maggior parte delle stelle. A differenza dei predecessori che utilizzano la tecnica del transito, WFIRST li cercherà tramite l'effetto opposto: piccoli picchi di luminosità prodotti da un fenomeno di flessione della luce chiamato microlensing.

Studiare le proprietà degli esopianeti ci aiuterà a capire come sono strutturati i sistemi planetari presenti in tutta la galassia e come si formano e si evolvono i pianeti, per questo la combinazione delle scoperte di WFIRST con i risultati delle missioni Kepler e Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA completerà il primo censimento planetario sensibile a una vasta gamma di orbite e masse planetarie, avvicinandoci alla possibile scoperta di nuovi mondi abitabili simili alla Terra.
Fino ad oggi gli astronomi hanno scovato la maggior parte dei pianeti durante il passaggio davanti alla loro stella ospite in eventi chiamati transiti, che temporaneamente oscurano la luce della stella. Anche gli strumenti di WFIRST saranno in grado di individuare i transiti, ma la missione guarderà principalmente all'effetto opposto: i piccoli picchi di luminosità prodotti da un fenomeno di flessione della luce chiamato microlensing. Questi eventi sono molto meno comuni dei transiti perché si basano sull'allineamento casuale di due stelle, ampiamente separate e non correlate, che vagano nello spazio.
I segnali di microlensing provenienti da piccoli pianeti sono rari e brevi, ma sono più forti dei segnali rilevati con altri metodi. E dato che si tratta di un evento su un milione, la chiave per riuscire a trovare pianeti di piccola massa è cercare tra centinaia di milioni di stelle. Inoltre, il microlensing è sistema migliore per trovare pianeti dentro e oltre la zona abitabile - le distanze orbitali in cui i pianeti potrebbero avere acqua liquida sulla loro superficie.

Il Microlensing

Questo effetto si verifica quando la luce passa vicino a un oggetto di grande massa. Qualsiasi oggetto avente massa deforma il tessuto dello spazio-tempo, un po' come l'increspatura che farebbe una palla da bowling appoggiata su un telo orizzontale. La luce viaggia in linea retta ma se lo spazio-tempo è piegato - cosa che accade vicino a corpi di grande massa come le stelle - la luce segue la curva. Ogni volta che due stelle si allineano rispetto al nostro punto di osservazione la luce proveniente dalla stella nascosta viene curvata mentre attraversa lo spazio-tempo deformato dalla stella più vicina. Questo fenomeno, predetto della teoria della relatività generale di Einstein, fu notoriamente confermato dal fisico britannico Sir Arthur Eddington durante un'eclissi solare totale nel 1919. Se l'allineamento è particolarmente vicino, la stella più vicina si comporta come una lente cosmica naturale, focalizzando e intensificare la luce dalla stella di sfondo.
Anche i pianeti in orbita attorno alla stella in primo piano possono modificare la luce riflessa, fungendo da lenti più piccole. La distorsione che creano consente agli astronomi di misurare la massa e la distanza del pianeta dalla sua stella ospite: ecco come WFIRST utilizzerà la microlensing per scoprire nuovi mondi.

Mondi familiari ed esotici

Attualmente cercare di interpretare le popolazioni dei pianeti è come cercare di capire un'immagine nascosta per metà. Per comprendere appieno come si formano i sistemi planetari dobbiamo trovare pianeti di tutte le masse e a tutte le distanze. Nessuna tecnica può farlo da sola ma la ricerca di fenomeni di microlensing di WFIRST combinata con i risultati di Kepler e TESS, aiuterà a scoprire una buona parte del quadro. Finora sono stati scoperti e confermati oltre 4.000 pianeti extrasolari, ma solo 86 sono stati individuati tramite microlensing. Le tecniche comunemente usate per trovare altri mondi sono più complesse verso i pianeti che tendono ad essere molto diversi da quelli presenti del nostro Sistema Solare. Il metodo del transito, ad esempio, è il migliore per trovare pianeti simili a Nettuno che hanno orbite molto più piccole di quelle di Mercurio. Osservando un Sistema Solare come il nostro, il metodo del transito difficilmente intercetterebbe qualche pianeta.
L'indagine di microlensing di WFIRST ci aiuterà a trovare pianeti analoghi a quelli del nostro Sistema Solare tranne Mercurio, la cui piccola orbita e bassa massa lo pongono oltre la portata della missione. WFIRST troverà pianeti con la massa della Terra e anche più piccoli, e forse anche grandi lune come Ganimede oltre a pianeti in categorie scarsamente studiate. Il microlensing è il metodo più adatto a trovare mondi nella zona abitabile della loro stella, ma anche più lontani. Ciò include giganti ghiacciati, come Urano e Nettuno del nostro Sistema Solare, e persino pianeti interstellari - mondi che vagano liberamente per la galassia senza legami con alcuna stella.
Mentre i giganti ghiacciati sono una minoranza nel nostro Sistema Solare, uno studio del 2016 ha indicato che potrebbero essere il tipo più comune di pianeta in tutta la galassia. WFIRST metterà alla prova questa teoria e ci aiuterà a comprendere meglio quali sono le caratteristiche planetarie più prevalenti.

Gemme nascoste nel nucleo galattico

WFIRST esplorerà le regioni della galassia che non sono state ancora sistematicamente setacciate alla ricerca di esopianeti a causa dei diversi obiettivi delle precedenti missioni. Kepler, per esempio, ha cercato in una regione di dimensioni modeste di circa 100 gradi quadrati con 100.000 stelle a distanze tipiche di circa mille anni luce. TESS ha analizzato l'intero cielo e tracciato oltre 200.000 stelle, tuttavia le loro distanze tipiche sono sempre di circa 100 anni luce. WFIRST cercherà in 3 gradi quadrati ma seguirà 200 milioni di stelle a distanze di circa 10.000 anni luce. Poiché WFIRST è un telescopio a infrarossi vedrà attraverso le nuvole di polvere che bloccano altri telescopi dallo studio dei pianeti nella affollata regione centrale della nostra galassia. La maggior parte delle osservazioni di microlensing effettuate da Terra sino ad oggi sono state nello spettro della luce visibile, rendendo il centro della galassia in gran parte un territorio inesplorato per gli esopianeti.
Una ricerca di microlensing condotto dal 2015 utilizzando l'Infrared Telescope del Regno Unito (UKIRT) situato alle Hawaii ha aperto la strada al censimento degli esopianeti di WFIRST, effettuando una prima mappatura della regione. Questa indagine di UKIRT sta fornendo le prime misurazioni del tasso di microlensing nel nucleo centrale della galassia dove le stelle sono più densamente concentrate. I risultati aiuteranno gli astronomi a selezionare la miglior strategia di osservazione finale per le osservazioni di WFIRST.
L'obiettivo più recente del team UKIRT è rilevare eventi di microlensing utilizzando l'apprendimento automatico, che sarà vitale per WFIRST. La missione infatti, produrrà una così grande quantità di dati che non sarà possibile controllarli manualmente e la ricerca richiederà dunque processi automatizzati. Ulteriori risultati di UKIRT indicano anche alcune strategie di osservazione che consentiranno di rilevare un elevato numero di fenomeni di microlensing evitando le nuvole di polvere più concentrate che possono bloccare persino la luce a infrarossi.

Dalle nane brune ai buchi neri

L'osservazione che potrà rivelare migliaia di pianeti sarà in grado di intercettare anche centinaia di altri oggetti cosmici bizzarri e interessanti. Gli scienziati saranno in grado di studiare corpi fluttuanti con masse che vanno da quella di Marte a 100 volte quella del Sole.
La fascia bassa della gamma di masse includerà pianeti che sono stati espulsi dalle loro stelle ospiti e ora vagano per la galassia, in seguito vi sono le nane brune, oggetti troppo massicci per essere caratterizzati come pianeti ma non abbastanza grandi da potersi accendere come stelle. Le nane brune non brillano visibilmente come le stelle ma WFIRST sarà in grado di studiarli alla luce infrarossa attraverso il calore rimasto dalla loro formazione. Tra gli oggetti di masse estremamente superiori vi saranno invece cadaveri stellari - stelle di neutroni e buchi neri - lasciati indietro dopo che stelle massicce hanno esaurito il loro combustibile. Studiarli e misurare le loro masse aiuterà gli scienziati a capire di più sulla morte delle stelle fornendo al contempo un censimento dei buchi neri di massa stellare.

La legge sugli stanziamenti FY2020 ha previsto finanziamenti per il programma WFIRST fino a settembre 2020 mentre la richiesta di bilancio FY2021 ha proposto di interrompere i finanziamenti per la missione WFIRST e concentrarsi sul completamento del James Webb Space Telescope, ora previsto per il lancio nel marzo 2021. L'Amministrazione Americana non è intenzionata a procedere con un altro telescopio multimiliardario fino a quando li JWST non sarà stato lanciato e messo in funzione con successo.

fonti: NASA Jet Propulsion Laboratory

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