La polvere potrebbe rivelare la presenza di pianeti abitabili

Il prossimo grande telescopio spaziale della NASA dovrebbe essere lanciato entro il 2027. Il Nancy Grace Roman Space Telescope è un potente telescopio a infrarossi ad ampio campo che creerà campi visivi panoramici 100 volte più grandi di quelli di Hubble. Il Telescopio Romano ha una varietà di obiettivi scientifici e uno dei suoi compiti è completare un censimento di esopianeti per rispondere a domande sull’abitabilità.

Un nuovo studio mostra come il telescopio spaziale romano può misurare la polvere nei sistemi solari distanti per aiutare a trovare pianeti abitabili.

Il nostro Sistema Solare contiene un tipo di polvere chiamata polvere zodiacale o polvere interplanetaria. La polvere è principalmente il risultato di collisioni tra asteroidi, oggetti della cintura di Kuiper e anche dall’attività delle comete. Non è polvere primordiale dei primi giorni del Sistema Solare. La maggior parte di quella polvere iniziale è sparita.

La polvere zodiacale nel nostro Sistema Solare è contenuta in una regione che va dal Sole alla cintura degli asteroidi tra Marte e Giove. La polvere disperde la luce solare e, se vista da lontano, è la seconda cosa più luminosa nel cielo dopo il Sole. Ma la polvere crea un problema quando si studiano gli esopianeti. Quando un sistema solare remoto ha la sua polvere interplanetaria, la foschia può oscurare i pianeti in quel sistema alla luce ottica.

Mentre la polvere può essere un problema, può anche essere un segnale prezioso.

Gli astronomi possono utilizzare il telescopio romano per cercare questa polvere in sistemi solari lontani. Se gli astronomi trovano polvere esodica come questa attorno a una stella, indica la presenza di corpi rocciosi. Ciò aumenta la probabilità di pianeti abitabili. Se il romano non trova questa polvere, anche quella è una vittoria: il sistema solare è un buon obiettivo per future osservazioni con telescopi ottici perché non c’è polvere in mezzo.

Il nuovo articolo è intitolato “Sensibilità dello strumento coronagrafico romano alla polvere esozodiacale”. L’autore principale è Ewan Douglas, assistente professore di astronomia all’Università di Tucson. L’articolo è pubblicato su Publications of the Astronomical Society of the Pacific.

“Nessuno sa molto della polvere esodica perché è così vicina alla sua stella ospite che di solito si perde nel bagliore, rendendola notoriamente difficile da osservare”.

Il coautore dello studio Bertrand Mennesson, JPL.

“Se non troviamo molta di questa polvere attorno a una particolare stella, significa che le future missioni saranno in grado di vedere i potenziali pianeti in modo relativamente semplice”, ha detto Douglas. “Ma se troviamo questo tipo di polvere, possiamo studiarla e imparare ogni genere di cose interessanti sulle sue sorgenti, come comete e asteroidi in questi sistemi e l’influenza di pianeti invisibili sulla sua luminosità e distribuzione. È una vittoria per tutti per la scienza! ”

La quantità di polvere in un sistema solare indica quanta e quali tipi di attività sono in corso. Ad esempio, molta polvere zodiacale proviene dalle comete quando attraversano il Sistema Solare interno. Se gli astronomi trovano un sistema con molta polvere esodiacale, ciò suggerisce un alto livello di attività cometaria.

Questa immagine mostra la luce zodiacale nel cielo. È visibile prima dell’alba o dopo il tramonto. Credito: Yuri Beletsky / ESO Paranal

Anche la distribuzione della polvere è un indizio. Il modello di distribuzione potrebbe segnalare che i pianeti stanno scolpendo i detriti con le loro orbite.

Ma allo stato attuale, non sappiamo molto della polvere in altri sistemi. È difficile da vedere.

“Nessuno sa molto della polvere esodica perché è così vicina alla sua stella ospite che di solito si perde nel bagliore, rendendola notoriamente difficile da osservare”, ha affermato Bertrand Mennesson, vice scienziato del progetto di Roman presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California e un coautore dell’articolo. “Non siamo sicuri di cosa troverà Roman in questi altri sistemi planetari, ma siamo entusiasti di avere finalmente un osservatorio attrezzato per esplorare questo aspetto delle loro zone abitabili”.

Il coronografo del telescopio gioca un ruolo fondamentale in questo. Un coronografo è come gli occhiali da sole. Blocca il bagliore accecante delle stelle nei sistemi solari lontani, consentendo agli astronomi di vedere gli oggetti più deboli. Senza un coronografo, sarebbe impossibile vedere la polvere in altri sistemi. Il coronografo di Roman sarà il coronografo più potente mai utilizzato.

Altri telescopi spaziali, incluso l’Hubble, hanno coronografi. Ma quello di Hubble è relativamente semplice rispetto a quello del telescopio romano. Il coronografo del Telescopio Romano utilizza filtri e specchi deformabili per sottrarre la potente luce stellare dalle immagini, lasciando dietro di sé la luce dei pianeti o la polvere zodiacale.

“Il coronagrafo romano è dotato di sensori speciali e specchi deformabili che misureranno e sottrarranno attivamente la luce delle stelle in tempo reale”, ha affermato il coautore dell’articolo John Debes. Debes è astronomo presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora. “Ciò aiuterà a fornire un livello di contrasto molto elevato, cento volte migliore rispetto alle offerte del coronografo passivo di Hubble, di cui abbiamo bisogno per individuare la polvere calda che orbita vicino alla stella ospite”.

La polvere esozodiacale e tutto ciò che possiamo imparare da essa è un nuovo orizzonte nell’astronomia. Gli astronomi hanno ripreso la polvere fredda a grandi distanze dalle stelle che li ospitano, polvere che è più lontana dalla stella di quanto non lo sia Nettuno dal Sole. Ma finora, nessuno ha immaginato in dettaglio la polvere più calda più vicina alle stelle.

Abbiamo una comprensione preliminare della polvere calda dalle osservazioni con il Large Binocular Telescope Interferometer. L’indagine Hunt for Observable Signatures of Terrestrial Systems (HOSTS) è stata un trampolino di lancio verso una maggiore comprensione della polvere esozodiacale. HOSTS ha determinato la luminosità e la densità della polvere calda che galleggia nelle zone abitabili delle stelle vicine ed è stato un trampolino di lancio verso la comprensione della polvere esozodiacale. Le sue osservazioni hanno aiutato a determinare quanto potenti devono essere i futuri telescopi per vedere esopianeti lontani nonostante la presenza della polvere.

Il telescopio spaziale romano ha molto di più da offrire oltre al suo potente coronografo. Non soffrirà di alcune delle limitazioni di cui soffre Hubble. L’Hubble si trova in un’orbita terrestre bassa, dove deve fare i conti con la presenza della Terra mentre studia oggetti distanti. Ma il romano sarà in una bella posizione stabile al LaGrange Point 2 (L2), a 1,6 milioni di chilometri (1 milione di miglia) dalla Terra.

Gli astronomi sono ansiosi di studiare la polvere esozodiacale più calda più vicino alle stelle lontane perché ci sono differenze critiche tra essa e la polvere più visibile e più fredda più lontana dalla stella. La polvere vicino alla stella è dominata da granelli rocciosi, mentre la polvere più lontana comprende granelli di ghiaccio. Processi diversi formano i diversi grani, quindi un tipo non è un analogo per l’altro.

“Cercando questa polvere, potremmo conoscere i processi che modellano i sistemi planetari fornendo al contempo informazioni importanti per missioni future che mirano a visualizzare i pianeti in zone abitabili”, ha detto il coautore Debes. “Scoprindo quanta polvere esododiacale ostacola i possibili pianeti nei sistemi vicini, possiamo dire quanto grandi dovranno essere i futuri telescopi per vedere attraverso di essa. Le osservazioni del coronagrafo romano potrebbero offrire un trampolino di lancio cruciale nella ricerca di analoghi della Terra”.

La polvere esododiacale inibisce anche altri aspetti della scienza degli esopianeti. Un modo per determinare la potenziale abitabilità o rilevare le firme biologiche è studiare le atmosfere degli esopianeti. Ma la polvere può intromettersi. “Poiché la maggior parte della luce stellare riflessa e molti biomarcatori di interesse cadono alle lunghezze d’onda del visibile e del NIR (vicino infrarosso), la dispersione della luce visibile da parte della polvere è la principale fonte di flusso di fondo che limiterà la caratterizzazione spettroscopica dettagliata delle atmosfere degli esopianeti”, afferma il documento .

Si spera che il telescopio spaziale romano apra la strada a un’altra missione chiamata Habitable Exoplanet Observatory (HabEx.) HabEx è ancora nella fase di ideazione e progettazione e, se si realizza, la data di lancio attuale proposta non è fino al 2035. HabEx’s la missione sarà quella di visualizzare direttamente i sistemi planetari attorno a stelle simili al Sole. Rileverà tutti i tipi di pianeti, ma il focus è su mondi simili alla Terra. HabEx sarà in grado di visualizzare direttamente alcuni di questi pianeti. Analizzerà anche le loro atmosfere spettroscopicamente per le firme di abitabilità o le firme biologiche.

La missione HabEx è unica nel suo approccio. Piuttosto che un coronografo integrato, utilizzerà un paralume separato. Lo starshade sarebbe a circa 77.000 km (48.000 miglia) dal telescopio e bloccherebbe la luce proveniente da stelle lontane e consentirebbe alla luce dei pianeti di raggiungere gli strumenti del telescopio.

In questo studio, gli autori hanno utilizzato simulazioni per determinare quante delle stelle bersaglio preselezionate per la missione HabEx sarebbero state osservabili dal telescopio romano. L’avanzato coronografo del Telescopio Romano gli conferisce più potere di osservare i pianeti nelle zone abitabili rispetto ai suoi predecessori. L’idea è di acquisire una conoscenza anticipata della luce di fondo diffusa dalla polvere esozodiacale che HabEx dovrà affrontare quando inizierà le sue osservazioni.

Questo grafico dello studio mostra alcuni dei risultati previsti dal telescopio romano.  Si basa su un campione di 149 stelle bersaglio che sono considerate bersagli ottimali per la missione HabEx.  Il grafico mostra che 74 delle 149 stelle bersaglio di HabEx hanno almeno una parte del loro HZ accessibile alle osservazioni di Roman.  16 di loro sono osservabili fino al loro EEID, che significa distanza di insolazione equivalente alla Terra, la distanza da una stella alla quale un esopianeta riceverebbe la stessa quantità di energia solare della Terra.  IWA significa Angolo di lavoro interno ed è un limite geometrico nei coronografi.  L'IWA di Roman è un punto di forza del suo design.  Credito immagine: Douglas et al.  2022
Questo grafico dello studio mostra alcuni dei risultati previsti dal telescopio romano. Si basa su un campione di 149 stelle bersaglio che sono considerate bersagli ottimali per la missione HabEx. Il grafico mostra che 74 delle 149 stelle bersaglio di HabEx hanno almeno una parte del loro HZ accessibile alle osservazioni di Roman. Sedici di loro sono osservabili fino al loro EEID, che significa distanza di insolazione equivalente alla Terra, la distanza da una stella alla quale un esopianeta riceve la stessa quantità di energia solare della Terra. IWA significa Angolo di lavoro interno ed è un limite geometrico nei coronografi. L’IWA di Roman è un punto di forza del suo design. Credito immagine: Douglas et al. 2022

“Questa analisi ha mostrato che il Coronagraph romano porrà nuovi limiti alla luminosità della luce diffusa dalla polvere esozodiacale nell’HZ delle stelle vicine”, afferma il documento. “Un tale programma fornirebbe informazioni preziose sullo sfondo di luce diffusa affrontato dalle future missioni per visualizzare e caratterizzare spettralmente pianeti simili alla Terra”.

La conoscenza dettagliata che il Telescopio Romano fornirà sulla luce esodica aiuterà a spianare la strada alla missione HabEx. “La preconoscenza di quali sistemi hanno una luce esodica in eccesso consentirà una migliore ottimizzazione delle future ricerche di immagini dirette per pianeti simili alla Terra”.

“Questo ha il potenziale per ottimizzare la strategia di osservazione degli esopianeti delle future missioni consentendo il targeting selettivo di sistemi meno polverosi…” scrivono gli autori.

Le misurazioni dettagliate della polvere esododiacale saranno solo uno dei contributi del Telescopio Romano all’astronomia. E il collegamento tra il romano e l’HabEx è solo un collegamento tra le missioni. Il romano studierà anche l’energia oscura e l’espansione dell’Universo e, a questo proposito, si collegherà alla missione Euclide dell’ESA.

Viviamo in un’epoca eccellente per l’astronomia. Il tanto atteso James Webb Space Telescope inizierà presto le osservazioni, il Nancy Grace Roman verrà lanciato tra pochi anni e il venerabile Hubble Space Telescope sembra quasi invincibile. Gli osservatori terrestri come l’Osservatorio Vera Rubin saranno presto online, con super telescopi come l’E-ELT e il Magellan Telescope.

Se ci sono pianeti simili alla Terra là fuori che ospitano la vita, potremmo essere sul punto di trovarne alcuni.

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