La scoperta degli esopianeti con il metodo del direct imaging

Il direct imaging è una delle tecniche utilizzate nella ricerca degli esopianeti. Consiste nel fotografare una stella e vedere se attorno le si trova un pianeta. Tuttavia, anche se concettualmente semplice, richiede l’utilizzo di un coronografo ed uno speciale software di analisi.

beta pic — Immagine dell'esopianeta beta Pic b ottenuta con la tecnica del direct imaging. Il pianeta è il pallino luminoso in basso a destra, mentre l'immagine della stella al centro dell'immagine è stata oscurata. Credit: Christian Marois, NRC Canada

Tra i diversi metodi per la ricerca di pianeti extrasolari, il metodo del direct imaging è il più semplice da un punto di vista concettuale, ma non altrettanto semplice da un punto di vista pratico. Ad oggi, la tecnica del direct imaging ha permesso di scoprire l’1.2% di tutti gli esopianeti confermati (cioè 69 esopianeti).

In cosa consiste questo metodo

Si tratta letteralmente di scattare una fotografia digitale ad altissima risoluzione spaziale di una stella e vedere se attorno a questa esistono pianeti.

I pianeti extrasolari in orbita attorno alla propria stella sono visibili o perché ne riflettono la luce (così come la Luna riflette la luce del Sole) o perché emettono luce propria (se sufficientemente caldi), ma con flussi di radiazione milioni di volte inferiori a quelli emessi dalla stella.

Tuttavia, se concettualmente semplice, il problema pratico nasce dal fatto che il pianeta, la cui luminosità è milioni di volte inferiore a quella della stella, viene completamente nascosto dal bagliore prodotto dalla stella.

sun — La fotografia a sinistra mostra come il bagliore del Sole sia così elevato da nascondere tutto ciò che gli sta attorno. La fotografia a destra mostra come durante un'eclissi totale, quando la Luna blocca interamente la luce emessa dal disco solare, le strutture poco luminose che lo circondano diventano visibili. Credits: NASA

Per capire meglio la problematica del direct imaging si pensi a ciò che succede durante le eclissi totali di Sole. Le regioni attorno al disco solare sono permeate da numerose strutture (si tratta di strutture di plasma magnetizzato) che costituiscono la corona solare. Queste strutture rimangono invisibili essendo la loro luminosità molto più bassa rispetto al bagliore prodotto dal disco solare (si veda la foto a sinistra nella figura di sopra).

Nel momento in cui la luce del disco viene bloccata dal passaggio del disco lunare (quindi in occasione delle eclissi totali di Sole), le strutture presenti nelle vicinanze, anche se molto deboli, diventano visibili (esattamente come raffigurato nella foto a destra nell'immagine di sopra).

Tuttavia, il bagliore prodotto dal disco solare, o da un disco stellare, è così elevato che il disco deve essere perfettamente oscurato.

La tecnica coronografica

Questa circostanza delle eclissi totali ha suggerito lo sviluppo di una tecnica per bloccare la luce emessa dalle stelle in modo da poter esplorare le regioni circostanti e cercare pianeti se presenti.

Lo strumento che permette di oscurare il disco della stella si chiama coronografo. Grazie al coronografo, che si trova montato sul telescopio, si blocca la luce proveniente dal disco stellare, prima che questa arrivi al rivelatore che ne produce l’immagine.

In questa immagine, priva del bagliore stellare, è possibile vedere anche gli oggetti più deboli, quali i pianeti o i dischi circumstellari, presenti attorno alla stella.

Il termine coronografo è strettamente legato alle osservazioni solari. Questo strumento, producendo un'eclissi totale artificiale, permette di studiare la corona solare, cioè gli strati atmosferici esterni del Sole.

Esiste un’altra possibilità, più teorica che pratica di bloccare la luce proveniente dal disco stellare: lo 'starshade', cioè un dispositivo posto davanti al telescopio alla giusta distanza da produrre una vera eclissi artificiale della stella, in modo che al telescopio arrivi solo la luce eventualmente emessa da oggetti che si trovino attorno alla stella.

Le 4 immagini del pianeta beta Pic b, ottenute a distanza di mesi l'una dall'altra, mostrano il movimento del pianeta attorno alla stella centrale (oscurata dal coronografo). Credit: ESO/Lagrange/SPHERE consortium and ESO/NASA/ESA.

Come dicevamo, con il direct imaging, grazie al coronografo, è possibile esplorare le regioni attorno alla stella e scoprire eventuali esopianeti o dischi circumstellari in cui è in corso la formazione di pianeti.

Una sola immagine non basta

Il pianeta, una volta scoperto con l'imaging, viene classificato come "candidato". Infatti, piuttosto che un pianeta potrebbe essere una stella di sfondo, cioè angolarmente vicina alla stella ma anni o migliaia di anno luce lontana dalla stella.

Per confermare che si tratti di un pianeta, bisogna ottenere altre immagini a distanza di tempo in modo da verificare che il pianeta stia orbitando attorno alla stella. Ciò è mostrato nella figura di sopra, nel caso del pianeta beta Pic b, che ad epoche diverse è stato osservato muoversi attorno alla sua stella.