Lo strumento SPHERE dell’ESO vede segni evidenti di polvere e piccoli corpi in sistemi solari lontani

Immagini di polvere attorno a esopianeti lontani offrono uno scorcio di asteroidi e comete in altri sistemi solari. Produrre immagini a disco di detriti è difficile, in particolare a causa del riflesso della stella luminosa al centro. Lo strumento SPHERE era ottimizzato per questo tipo di osservazione. Alcuni dei dischi fotografiati con SPHERE mostrano strutture che ricordano il sistema solare, con asteroidi concentrati in una fascia di asteroidi all’interno delle orbite dei pianeti giganti, comete in una “fascia di Kuiper” all’esterno.

Le osservazioni con lo strumento SPHERE presso il Very Large Telescope dell’ESO hanno prodotto una galleria senza precedenti di “dischi di detriti” nei sistemi esoplanetari. Gaël Chauvin (Max Planck Institute for Astronomy), scienziato di progetto di SPHERE e coautore dell’articolo che pubblica i risultati, afferma: “Questo set di dati è un tesoro astronomico. Fornisce intuizioni eccezionali sulle proprietà dei dischi di detriti e permette deduzioni di corpi più piccoli come asteroidi e comete in questi sistemi, impossibili da osservare direttamente.”

Nel nostro sistema solare, una volta che si guarda oltre il Sole, i pianeti e i pianeti nani come Plutone, c’è una serie sconcertante di corpi più piccoli (“minori”).

Di particolare interesse sono i corpi più grandi e piccoli, con diametri compresi tra circa un chilometro e diverse centinaia di chilometri. C

hiamiamo quegli oggetti comete se mettono in scena (almeno occasionalmente) una manifestazione di gas e polvere che perdono per formare strutture visibili distintive come una coda, e asteroidi quando non lo fanno.

I corpi piccoli offrono uno sguardo sulla storia più antica del sistema solare: nell’evoluzione dai granelli di polvere ai pianeti a grandezza naturale, corpi piccoli chiamati planetesimali sono una fase di transizione, e gli asteroidi e le comete sono resti di quella fase – planetesimali che non sono riusciti a evolversi in pianeti più grandi. I corpi piccoli sono (in parte) resti modificati del materiale da costruzione per pianeti come la nostra Terra!

Piccoli corpi attorno a stelle diverse dal Sole?

Finora, gli astronomi hanno rilevato più di 6000 esopianeti (cioè pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal Sole), dandoci un’idea molto più chiara della diversità dei pianeti là fuori e del ruolo del nostro sistema solare all’interno di questa popolazione abbondante.

Scattare immagini reali di tali pianeti è però una sfida considerevole.

Al momento, ci sono meno di 100 esopianeti che gli astronomi sono riusciti a fotografare, e persino i pianeti giganti sono poco più di una piccola massa senza struttura su tali immagini.

“Trovare indizi diretti sui piccoli corpi in un sistema planetario lontano dalle immagini sembra semplicemente impossibile. Anche gli altri metodi indiretti utilizzati per rilevare gli esopianeti non aiutano”, afferma il dottor Julien Milli, astronomo dell’Università di Grenoble Alpi e coautore dello studio.

La soluzione, ironicamente, deriva da cose ancora più piccole, di ordini di grandezza. In particolare nei sistemi planetari più giovani, i planetesimali si scontrano regolarmente – a volte per restare insieme e formare un corpo più grande, altre volte per separarsi per la sua strada.

Queste collisioni creano grandi quantità di nuova polvere, e la polvere, a quanto pare, può essere osservata su grandi distanze, con strumenti adatti: ogni volta che si divide un oggetto in componenti più piccoli, il volume totale rimane lo stesso, ma la superficie totale aumenta.

Dividi un asteroide con un diametro di un chilometro in granelli di polvere con diametri di un micrometro (= milionesimo di metro), e aumenti la superficie complessiva di un fattore di miliardo!

Questo è, in gran parte, il motivo per cui è possibile osservare dischi di detriti attorno alle stelle giovani grazie alla luce stellare che riflettono. Osserva la polvere e potrai ricavar informazioni sui piccoli corpi del sistema planetario.

Osservazione dei dischi di detriti

Questa configurazione sarebbe difficile da rilevare per gli astronomi alieni che studiano il nostro sistema solare da lontano.

Ma come ha dimostrato il presente studio, con i migliori telescopi e strumenti attuali, per sistemi non troppo lontani, la polvere dovrebbe essere osservabile per circa i primi 50 milioni di anni di vita del disco di detriti.

Il che non significa che tali osservazioni non rappresentino una notevole sfida tecnica! Immaginare un disco di detriti è come scattare una foto di una nuvola di fumo di sigaretta, ma il fumo fluttua accanto a un faro luminoso di uno stadio, e stai cercando di scattare la foto da una distanza di diversi chilometri.

È qui che la strumentazione adeguata fa tutta la differenza, ed è qui che lo strumento SPHERE, che ha iniziato a operare presso uno dei Very Large Telescopes (VLT) dell’ESO nella primavera del 2014, eccelle.

Bloccare la luce stellare

Al centro di SPHERE c’è un concetto molto semplice. Se nella vita di tutti i giorni vogliamo guardare qualcosa e il Sole sullo sfondo rende tutto più difficile, alziamo una mano per bloccare la luce del sole.

Quando SPHERE osserva un esopianeta o un disco di detriti, utilizza un coronagramma per bloccare la luce della stella – di fatto, un piccolo disco inserito nel percorso ottico che rimuove la maggior parte della luce stellare prima che venga scattata l’immagine.

Il problema è che, a meno che l’imaging non sia molto preciso e stabile, questa semplice ricetta non può funzionare nella pratica!

Per soddisfare i requisiti rigorosi, SPHERE utilizza una versione estrema dell’ottica adattiva, in cui le perturbazioni inevitabili causate dalla luce che attraversa l’atmosfera terrestre vengono analizzate e in gran parte compensate in tempo reale tramite l’uso di uno specchio deformabile.

Un’altra parte, opzionale, di SPHERE filtra la luce con proprietà specifiche (“luce polarizzata”) caratteristiche della luce riflessa da qualcosa come particelle di polvere, a differenza della luce stellare, preparando il terreno per immagini di disco di detriti particolarmente sensibili.

Una galleria senza precedenti di immagini di dischi di detriti

La nuova pubblicazione presenta una collezione senza precedenti di immagini del disco di detriti, prodotte con SPHERE dalla luce stellare riflessa da piccole particelle di polvere in questi sistemi.

“Per ottenere questa collezione, abbiamo elaborato dati derivanti da osservazioni di 161 stelle giovani nelle vicinanze, la cui emissione infrarossa indica fortemente la presenza di un disco di detriti”, afferma Natalia Engler (ETH Zurich), autrice principale dello studio.

“Le immagini risultanti mostrano 51 dischi di detriti con una varietà di proprietà — alcuni più piccoli, altri più grandi, alcuni visti di lato e alcuni quasi frontalmente – e una notevole diversità di strutture del disco. Quattro dei dischi non erano mai stati fotografati prima.”

I confronti all’interno di un campione più ampio sono fondamentali per scoprire la sistematica dietro le proprietà degli oggetti. In questo caso, un’analisi dei 51 dischi di detriti e delle loro stelle ha confermato diverse tendenze sistematiche: quando una stella giovane è più massiccia, anche il suo disco di detriti tende ad avere più massa.

Lo stesso vale per i dischi di detriti, dove la maggior parte del materiale si trova a una distanza maggiore dalla stella centrale.

Trovare cinture di asteroidi e di Kuiper in altri sistemi

Probabilmente la caratteristica più interessante dei dischi di detriti SPHERE sono le strutture all’interno dei dischi stessi. In molte delle immagini, i dischi presentano una struttura concentrica simile ad anello o a bande, con materiale discografico prevalentemente presente a distanze specifiche dalla stella centrale.

La distribuzione dei piccoli corpi nel nostro sistema solare ha una struttura simile, con piccoli corpi concentrati nella fascia degli asteroidi (asteroidi) e nella fascia di Kuiper (comete).

Tutte queste strutture della fascia sembrano associate alla presenza di pianeti, in particolare di pianeti giganti, che liberano i loro vicini da corpi più piccoli. Alcuni dei pianeti giganti erano già stati osservati.

In alcune immagini SPHERE, caratteristiche come bordi interni affilati o asimmetrie del disco offrono allettanti indizi di pianeti ancora non osservati.

In questo modo, la collezione dei dischi SPHERE fissa obiettivi interessanti per future osservazioni: il JWST, o l’Extremely Large Telescope (ELT), attualmente in costruzione da parte dell’ESO, dovrebbe permettere agli astronomi di produrre immagini dei pianeti che creano queste strutture.

© N. Engler et al./SPHERE Consortium/ESO

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