Astronomia: scoperto terzetto di pianeti bambini intorno a stella neonata

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Due gruppi indipendenti di astronomi hanno usato ALMA per trovare prove convincenti che tre giovani pianeti siano in orbita intorno alla stella neonata HD 163296. Usando una tecnica innovativa di ricerca dei pianeti, gli astronomi hanno identificato tre perturbazioni nel disco ricco di gas intorno alla giovane stella: la prova finora più forte che ci siano dei pianeti appena formati in orbita. Vengono considerati questi i primi pianeti scoperti con ALMA.

Il telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ha trasformato la nostra comprensione dei dischi protoplanetari – le fabbriche di pianeti, piene di gas e polvere, che circondano le stelle giovani. Gli anelli e le lacune di questi dischi forniscono prove circostanziali della presenza di protopianeti [1]. Altri fenomeni, però, potrebbero spiegare queste stesse caratteristiche suggestive.

Ma ora, usando una tecnica innovativa per la ricerca di pianeti che identifica motivi insoliti nel flusso di gas all’interno del disco protoplanetario intorno a stelle giovani, due gruppi di astronomi hanno confermato, indipendentemente, la presenza dei segni inequivocabili della presenza di pianeti appena formati intorno a una stella appena nata [2].

Il nostro sistema solare si è formato a partire da un’enorme nube primordiale di gas e di polvere. La stragrande maggioranza di questa nube ha formato il Sole, mentre il rimanente disco di materiale in rotazione attorno al Sole alla fine si è condensato nei pianeti in orbita che conosciamo e in cui viviamo oggi.
Gli astronomi possono osservare processi simili che accadono attorno ad altre stelle nel cosmo. Questa splendida foto della settimana mostra un disco di materiale in rotazione attorno alla giovane stella HD 163296. Usando la potenza di osservazione di ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in Cile, gli astronomi sono stati capaci di distinguere le caratteristiche specifiche nel disco, come gli anelli concentrici di materiale che circonda la stella centrale. Essi hanno ottenuto delle misure ad alta risoluzione dei costituenti di gas e di polvere del disco. Con questi dati, hanno potuto capire meglio la storia della formazione di questo giovane sistema stellare.
I tre buchi tra gli anelli sono probabilmente dovuti allo svuotamento della polvere; nel buco nel mezzo e quello all’esterno, gli astronomi hanno anche trovato un livello più basso di gas. Lo svuotamento di entrambi, gas e polvere, suggerisce la presenza di pianeti appena formati, ciascuno della massa di Saturno, che hanno scavato questi buchi lungo le loro nuove orbite.
Crediti:
ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Misurare il flusso di gas all’interno di un disco protoplanetario ci dà molta più certezza che ci siano pianeti in orbita intorno a una stella giovane,” commenta Christophe Pinte dell’Università Monash in Australia e dell’Institut de Planétologie et d’Astrophysique di Grenoble (Université de Grenoble-Alpes / CNRS) in Francia, e primo autore di uno dei due articoli. “Questa tecnica offre una nuova, promettente direzione per capire come si formino i sistemi planetari.”

Per le loro scoperte, i due gruppi hanno analizzato le osservazioni ALMA di HD 163296, una giovane stella a circa 330 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Sagittario [3]. La stella ha circa il doppio della massa del Sole ma ha solo 4 milioni di anni – un millesimo dell’età del Sole.

Abbiamo esaminato il moto localizzato, su piccola scala, del gas nel disco protoplanetario della stella. È un approccio completamente nuovo che potrebbe farci scoprire alcuni dei pianeti più giovani della galassia, grazie alle immagini ad alta risoluzione prodotte da ALMA,” ha aggiunto Richard Teague, astronomo all’Università del Michigan e primo autore del secondo articolo.

Invece che focalizzarsi sulla polvere all’interno del disco, chiaramente rappresentata nelle precedenti osservazioni di ALMA, gli astronomi hanno invece studiato il monossido di carbonio (CO) gassoso diffuso nel disco. Le molecole di CO emettono luce a una caratteristica lunghezza d’onda nella banda millimetrica che ALMA può osservare in dettaglio. Sottili cambiamenti nella lunghezza d’onda di questa luce, dovuti all’effetto Doppler, svelano i moti del gas all’interno del disco.

L’equipe guidata da Teague ha identificato due pianeti a crica 12 e 21 miliardi di chilometri dalla stella. L’altra equipe, guidata da Pinte, ha indentificato un pianeta a circa 39 miliardi di chilometri dalla stella [4].

Le due equipe hanno usato variazioni della stessa tecnica, cioè cercare anomalie nel flusso del gas evidenziate dallo spostamento della lunghezza d’onda dell’emissione del CO, che indica che il gas sta interagendo con un oggetto massiccio [5].

La tecnica usata da Teague, indentifcare variazioni medie nel flusso fino a pochi percento, ha rivelato l’impatto multiplo dei pianeti sul moto del gas vicino alla stella. La tecnica usata da Pinte, misurare direttamente il flusso del gas, è più adatta per studiare la zona più esterna del disco e ha permesso agli autori di localizzare il terzo pianeta, ma si può usare solo con deviazioni del flusso superiori a circa il 10%.

In entrambi i casi, i ricercatori hanno identificato aree in cui il flusso del gas non è consistente con i dintorni – come i vortici intorno a una roccia nell’acqua di un fiume. Analizzando questo moto con attenzione, hanno potuto identificare l’influenza di corpi planetari di massa simile a quella di Giove.

La nuova tecnica permette agli astronomi di stimare la massa dei protopianeti in modo più preciso ed è meno soggetta a produrre falsi positivi. “Stiamo finalmente portando ALMA alla ribalta della ricerca di paineti“, afferma il coautore Ted Bergin, dell’Università del Michigan.

Entrambi i gruppi continueranno a perfezionale il metodo e lo applicheranno ad altri dischi: sperano di capire meglio come si formino le atmosfere e quali elementi e molecole affidati a un pianeta alla sua nascita.

Note

[1] Anche se sono già state scoperte migliaia di esopianeti negli ultimi vent’anni, trovare i protopianeti rimane un esercizio di avanguardia e finora non ci sono state scoperte inattaccabili. Le tecniche attualmente in uso per cercare gli esopianeti in sistemi planetari completamente formati – come la misura dell’oscillazione della stella o la diminuzione della sua luce a causa del transito di un pianeta – non si prestano facilmente alla detezione di protopianeti.

[2] Il moto del gas intorno a una stella in assenza di pianeti ha un andamento semplice e prevedibile (rotazione kepleriana) quasi impossibile da modificare sia in modo coerente che su scala locale, così che solo la presenza di un oggetto relativamente massiccio può essere la causa dei disturbi.

[3] Le immagini straordinare di HD 163296 e di altri sistemi simili ottenute con ALMA hanno rivelato forme affascinanti di anelli concentrici e lacune all’interno dei dischi protoplanetari. Queste lacune potrebbero indicare la presenza di protopianeti che spazzando la polvere e il gas e lo rimuovono dall’orbita,  incorporandone parte nella propria atmosfera. Uno studio precedente di questo particolare disco stellare mostra come le lacune nella polvere e nel gas si sovrappongano, suggerendo che ci siano almeno due pianeti formati in quella zona.

Le osservazioni iniziali, in ogni caso, si limitavano a fornire prove circostanziali e non potevano essere utilizzate per stimare con precisione la massa dei pianeti.

[4] Queste corrispondono a 80, 140 e 260 volte la distanza tra la Terra e il Sole.

[5] La tecnica è simile a quelal che ha portato alla scoperta del pianeta Nettuno nel diciannovesimo secolo. In quel caso le anomalie nel moto del pianeta Urano furono attribuite all’effetto gravitazionale di un corpo sconosciuto, successivamente scoperto visivamente nel 1846. È l’ottavo pianeta del sistema solare.

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