2013: I primi sistemi planetari studiati dal programma GAPS grazie ad HARPS-N al TNG

Una rappresentazione artistica di un sistema planetario della nostra Galassia, HD 48265-b. Credit:i Media INAF

Da questo momento iniziamo a presentare i lavori del progrramma GAPS-Global Architecture of Planetary System dell’INAF-Istituto Nazionale di Astrofisica grazie ad HARPS-N montato al TNG-Telescopio Nazionale Galileo e dedicato alla ricerca dei pianeti extrasolari. Il team GAPS è formato da vari ricercatori affiliati a vari sedi INAF, al team del TNG e ad alcune università italiane, quale quella padovana e milanese, oltre che a vari istituti stranieri. 

Nell’aprile 2013 vennero pubblicati i primi due articoli del programma GAPS- Global Architecture of Planetary System dell’INAF-Istituto Nazionale di Astrofisica, un programma che ha come obiettivo la caratterizzazione dei sistemi planetari multipli, quindi formati da più di un pianeta, e una maggiore conoscenza dell’architettura dei sistemi planetari, ossia delle proprietà strutturali dei pianeti extrasolari e delle relazioni che sussistono tra essi e le loro stelle attorno a cui questi pianeti orbitano. Questa scoperta è stata possibile grazie alle misure di alta precisione dello spettrometro HARPS-N (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher North), montato al TNG.

La ricerca di pianeti non appartenenti al nostro Sistema Solare è da oltre una decina di anni una ricerca astrofisica di punta di grande importanza. Il programma GAPS è portato avanti da vari ricercatori che si trovano dislocati in più di dieci sedi INAF, tra cui il TNG nell’Isola di La Palma (Isole Canarie), l’Università degli Studi di Padova e di Milano e altri istituti stranieri.
I primi risultati di GAPS confermarono gran parte delle osservazioni e delle deduzioni fatte fino ad allora, in particolare che era più probabile trovare pianeti giganti orbitanti attorno a stelle ricche di elementi pensati (o di alta metallicità) e quindi a stelle che sono giovani rispetto all’età del nostro Universo.

Studiando in particolare il sistema planetario HIP 11952, venne smentita l’esistenza di un pianeta che era stato ipotizzato orbitare attorno alla stella di basso contenuto di elementi pesanti. Un grande risultato per HARPS-N che permise di andare più in dettaglio nelle misure grazie alla sua elevata precisione nella misura della velocitaà radiale della stella, ossia la velocità della stella lungo la direzione di vista. La presenza di un pianeta attorno ad una stella comporta una variazione nel tempo di tale velocità che non si avrebbe se la stella non possedesse un pianeta.

Nel 2012, anno precedente allo studio compiuto da GAPS, questa stella era diventata piuttosto famosa quando ci si era accorti che il suo sistema andava contro quando si era capito sul ruolo della composizione chimica nei processi di formazione planetaria, in quanto non ci si aspettava che stelle povere di elementi pesanti, come lo era HIP 11952, potessero ospitare pianeti giganti delle dimensioni di Giove o più. Un’analisi più approfondita con lo strumento HARPS-N ha portato a concludere che le variazioni interpretate nel 2012 come una variazione di velocità radiale, e quindi come la presenza di pianeti attorno alla stella, dovevano essere dovute solo ad errori di misura causati dai limiti della strumentazione con cui si erano raccolti i dati.

Grazie ad HARPS-N fu possibile fare una stima della velocità radiale della stella in centoventi giorni: questa mostrava che vi era una dispersione di otto metri al secondo, valore compatibile con gli errori di misura per una stella povera di metalli. Questo portava ad escludere la presenza di due pianeti che erano stati teorizzati con periodo orbitale di 290 giorni e di 7 giorni e con masse confrontabili con quelle di Saturno e Giove, rispettivamente.

Il sistema era importante da studiare perché aveva una metallicità almeno 15 volte inferiore a quella della seconda stella nana di più bassa metallicità che ospitava con sicurezza pianeti giganti. Inoltre, l’analisi che aveva condotto alla scoperta dei due pianeti suggeriva anche la presenza di un terzo pianeta con periodo orbitale intermedio. Le osservazioni con HARPS-N dimostrarono una precisione molto migliore rispetto a quella dello strumento usato per la scoperta e consentirono di concludere che non esistevano pianeti giganti a corto periodo attorno a questa stella.
Questo risultato rafforzava la comprensione dei processi di formazione dei sistemi planetari.

Lo studio invece del sistema planetario Qatar-1 grazie ad HAPS-N ha permise di individuare un pianeta gigante, di tipo Hot Jupiter, con massa pari a circa 1,3 volte la massa di Giove, più massiccio di quanto rilevato in passato, che orbitava su un piano ben allineato con l’asse di rotazione della stella e con una eccentricità nulla, il che portava ad affermare che si muoveva lungo una circonferenza. Lastella risultò ricca di elementi chimici più pesanti di idrogeno ed elio, oltre che una delle stelle più deboli fino ad allora osservate da terra, con un pianeta.

Fino ad allora, i pianeti extrasolari scoperti erano molto differenti dai pianeti del Sistema Solare. Molti di essi avevano masse e dimensioni simili a quelle di Giove ma si muovevano su orbite molto strette (anche cento volte inferiori alla distanza Terra-Sole) con periodi orbitali di appena qualche giorno. Per Qatar-1 si riuscì a raccogliere così tanti dati e di qualità così elevata che si poté caratterizzare questo sistema con grande precisione.

Articoli:

Elvira Covino, The GAPS programme with HARPS-N at TNG. I: Observations of the Rossiter-McLaughlin effect and characterisation of the transiting system Qatar-1,arXiv:1304.0005 [astro-ph.SR] (or arXiv:1304.0005v2 [astro-ph.SR] for this version), http://arxiv.org/abs/1304.0005. Su Astronomy & Astrophysics – http://www.aanda.org/articles/aa/abs/2013/06/aa21298-13/aa21298-13.html

Silvano Desidera et al., The GAPS Programme with HARPS-N@TNG II: No giant planets around the metal-poor star HIP 11952
arXiv:1302.3093 [astro-ph.EP], (or arXiv:1302.3093v1 [astro-ph.EP] for this version) http://arxiv.org/abs/1302.3093
e Astronomy & Astrophyisics: http://www.aanda.org/articles/aa/abs/2013/06/aa21155-13/aa21155-13.html