HD 209458 b
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HD 209458 b (soprannominato Osiris [1][2]) è un pianeta extrasolare che orbita intorno alla stella HD 209458, una nana gialla simile al Sole situata nella costellazione di Pegaso a circa 150 anni luce dal sistema solare. HD 209458 è una stella di magnitudine 8, visibile da terra con un normale binocolo o con un piccolo telescopio [3].
Il raggio dell'orbita del pianeta è di appena 7 milioni di chilometri, circa 0,047 unità astronomiche (UA), e quindi otto volte più piccolo del raggio dell'orbita di Mercurio; questa grande vicinanza alla stella fa sì che che un anno su questo pianeta equivalga a circa 3,5 giorni terrestri, e sulla superficie vi sia una temperatura molto elevata, pari a circa 1000 K. La massa del pianeta è 220 volte quella della Terra (circa 0,7 volte la massa di Giove), il che indica che probabilmente si tratta di un gigante gassoso.
HD 209458 b costituisce la pietra miliare di tutta una serie di traguardi raggiunti nella ricerca di mondi extraterrestri: HD 209458 b è stato infatti il primo pianeta extrasolare scoperto durante il suo transito sul disco della stella madre ed il primo esopianeta la cui atmosfera sia stata confermata ed osservata direttamente mediante tecniche spettroscopiche [4]. Le analisi hanno rivelato che l'atmosfera è costituita principalmente da idrogeno, con discrete quantità di ossigeno e carbonio. A causa dell'eccessiva vicinanza alla stella madre la sua atmosfera evapora sotto gli effetti dell'intenso vento stellare, lasciando una spettacolare coda di gas; si stima che, in un lontano futuro, il pianeta possa diventare un pianeta ctonio.
Sulla base di nuovi modelli teorici, sviluppati nell'aprile 2007 a seguito delle scoperte effettuate mediante l'indagine spettroscopica, è stata avanzata l'ipotesi che nell'atmosfera del pianeta possano essere presenti tracce di vapore acqueo; se l'ipotesi fosse vera, si tratterebbe del primo esopianeta in cui sia stata scoperta la presenza di acqua [5][6][7].
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Scoperta ed individuazione
Transiti
Il pianeta è stato scoperto mediante studi spettroscopici il 5 novembre 1999. Gli astronomi avevano reso noti i dati delle misure fotometriche di parecchie stelle intorno alle quali si riteneva orbitassero dei pianeti, nella speranza che si potesse osservare un brusco calo della luminosità, e quindi la prova dell' esistenza del pianeta. Tuttavia la difficoltà di tali osservazioni farebbe presupporre che l'orbita del pianeta sia abbastanza inclinata da non favorire particolarmente i transiti fra la Terra e la stella, e precedentemente non era ancora stato rilevato nessun transito.
Poco dopo la scoperta, due squadre separate, una condotta da David Charbonneau e Timothy Brown, l'altra capitanata da Gregory W. Henry, fu in grado di rilevare un transito del pianeta attraverso la superficie della stella, il primo transito di un pianeta extrasolare mai osservato. Il 9 e il 16 settembre 1999, la squadra di Charbonneau ha misurato un calo dell' 1,7% nella luminosità di HD 209458, che è stato attribuito al passaggio del pianeta, fino ad allora ipotetico, davanti alla stella [8]. L'8 novembre la squadra di Henry ha misurato accuratamente la durata del transito. Ogni transito dura circa tre ore, ed il pianeta copre circa l'1,5% della superficie della stella.
Le numerose osservazioni della stella svolte dal satellite Hipparcos hanno permesso agli astronomi di calcolare con precisione il periodo orbitale del pianeta, della durata di 3,524736 giorni [9].
Individuazione diretta
Il 22 marzo 2005 la NASA ha reso noto che è stata misurata la radiazione infrarossa del pianeta da parte del telescopio spaziale Spitzer; si trattava della prima rilevazione della luce di un pianeta extrasolare.
Questo risultato è stato ottenuto sottraendo la luce della stella madre e notando la differenza di luminosità tra il momento in cui il pianeta transita sul disco stellare e quando è eclissato dalla stella. Nuove misurazioni ottenute dall'osservazione hanno stabilito la temperatura del pianeta intorno ai 1000 kelvin (K). È stata inoltre confermata la circolarità della sua orbita.
Osservazione spettrale
Il 21 febbraio 2007 la NASA ha rilasciato la notizia, pubblicata anche sulla rinomata rivista Nature, dell'osservazione diretta dello spettro del pianeta, assieme a quello di HD 189733 Ab [10][11]; questa notizia è stata vista da molti come il metodo per individuare la presenza di forme di vita extrasolari, ma non senzienti, sulla base delle modificazioni che esse inducono sull'atmosfera del loro pianeta. Un gruppo di ricercatori capitanati da Jeremy Richardson del Goddard Space Flight Center della NASA misurarono l'emissione atmosferica nella banda compresa tra 7,5 e 13,2 μm. Gli esiti delle misurazioni hanno sfidato le aspettative teoriche in diversi modi. Si prevedeva originariamente che lo spettro mostrasse un picco alla lunghezza d'onda di 10 μm, il che avrebbe indicato la presenza di vapore acqueo nell'atmosfera; tuttavia questo picco non è stato rintracciato, probabilmente a causa delle scarse quantità di vapore acqueo individuate poi due mesi dopo. Inoltre è stato individuato un picco non previsto a 9,65 μm, che i ricercatori hanno attribuito alle nubi di polveri e silicati, fenomeno precedentemente non osservato. Un altro picco imprevisto è stato rintracciato a 7,78 μm, ma gli studiosi non sono riusciti ad individuarne la causa. Una squadra indipendente, capitanata da Mark Swain del Jet Propulsion Laboratory, ha pubblicato i suoi dati in contemporanea con quelli di Richardson e colleghi, giungendo alle medesime conclusioni dell'altro gruppo.
Parametri fisici
| HD 209458 b | Giove |
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Le analisi spettroscopiche della luce della stella hanno mostrato che il pianeta ha una massa 0,69 volte quella di Giove [12]. La frequenza dei transiti ha permesso agli astronomi di misurare anche il raggio del pianeta, cosa mai accaduta in precedenza per qualunque altro pianeta extrasolare scoperto, che risulta essere più largo del 35% rispetto al raggio gioviano.
L'alta vicinanza alla stella madre fa sì che il pianeta abbia un'altissima insolazione, all'origine dell'elevata temperatura atmosferica quantificata in circa 750 °C (1022 K); queste caratteristiche rendono HD 209458 b un tipico pianeta gioviano caldo (hot Jupiter). È stato ipotizzato, alla luce del comportamento dei gas, che i pianeti gioviani caldi particolarmente vicini alla loro stella manifestino un rigonfiamento a causa dell'intenso riscaldamento dell'atmosfera esterna: infatti, nonostante abbia una massa inferiore a quella di Giove, si è visto che HD 209458 b possiede un raggio più ampio. Inoltre il riscaldamento mareale, dovuto all'eccentricità dell'orbita, avrebbe giocato un ruolo importante nel plasmare il pianeta nel corso dei miliardi di anni trascorsi [13].
Si ritiene che, a causa delle forze di marea, il pianeta presenti una rotazione sincrona, ovvero la durata di un giorno su HD 209458b sarebbe identica al periodo orbitale; il pianeta dunque rivolgerebbe alla stella sempre la medesima porzione di superficie, come la Luna alla Terra. Questo fenomeno sarebbe all'origine di un'enorme differenza di riscaldamento sulla superficie del pianeta, causa dei violentissimi venti individuati da Terra. Il pianeta mostra inoltre un effetto Rossiter-McLaughlin pari a −4,4 ± 1,4° [14][15].
Atmosfera
Esosfera
Il 27 novembre 2001 il telescopio spaziale Hubble (HST) ha rilevato nell'esosfera del pianeta tracce di sodio; si tratta della prima determinazione della composizione chimica dell'atmosfera di un esopianeta [16][17]. Le analisi hanno mostrato che la parte centrale della linea del sodio è correlata con pressioni che vanno da 50 millibar a un microbar [18], e che la quantità complessiva dell'elemento risulta essere circa un terzo della sua quantità su HD 189733 Ab [19].
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Nel 2003-2004 gli astronomi, servendosi dello spettrografo dell'HST, hanno scoperto intorno al pianeta un vasto inviluppo ellissoidale, costituito da carbonio, idrogeno ed ossigeno, che raggiunge temperature dell'ordine dei 10000 K. Questa temperatura, stando alla distribuzione maxwelliana della velocità delle particelle, fa sì che gli atomi, in virtù della loro agitazione termica, si muovano a velocità superiori alla velocità di fuga dal pianeta, dando luogo ad una coda di gas, in particolare idrogeno, che si diparte dal pianeta, raggiungendo una lunghezza di circa 200.000 km, quasi equivalente al suo diametro. Si stima che il pianeta perda 1-5×108 kg di idrogeno al secondo. L'analisi della luce stellare che attraversa l'inviluppo mostra che i più pesanti atomi di carbonio ed ossigeno sono espulsi dalla grande resistenza idrodinamica causata dall'evaporazione dell'atmosfera di idrogeno.
Si pensa che questo tipo di perdita atmosferica sia comune a tutti i pianeti che orbitano molto vicino (circa 0,1 UA) a stelle simili al Sole. È probabile che l'atmosfera di HD 209458 b non evaporerà per intero; si ritiene che il pianeta possa aver perso circa il 7% della sua massa totale durante la sua vita, stimata di 5 miliardi di anni [20].
Stratosfera e sommità delle nubi
I rilievi altimetrici dell'atmosfera planetaria hanno mostrato che il livello zero, ovvero il punto in cui la pressione raggiunge il valore di 1 bar, è situato ad 1,29 RJ dal centro del pianeta [21], mentre l'atmosfera si presenta chiara (probabilmente a causa delle alte abbondanze di idrogeno) nel punto in cui la pressione raggiunge i 33 ± 5 millibar e risulta già misurabile lo scattering Rayleigh; qui la temperatura raggiunge i 2200 ± 260 K.
Le osservazioni condotte dal telescopio spaziale MOST hanno inizialmente limitato l'albedo del pianeta ad un valore inferiore al 30% (con un'albedo geometrica di 3,8 ± 4,5%), il che lo avrebbe reso un oggetto straordinariamente scuro [22]; per raffronto, Giove possiede un'albedo molto più elevata, pari al 52%. Questo valore ha portato a ritenere che lo strato più alto di nubi di HD 209458 b sia costituito da materiale meno riflettente rispetto all'ammoniaca delle nubi gioviane [23]. I modelli sviluppati hanno mostrato che tra la sommità dell'atmosfera ed il gas caldo ad alta pressione che circonda il mantello esiste una stratosfera di gas a temperatura intermedia [24][25]; questo implicherebbe l'esistenza di un guscio esterno di nubi calde ed opache, con una discreta abbondanza di ossidi di vanadio e titanio (come accade nelle stelle di classe M V), anche se non si esclude l'esistenza di altri composti più complessi, come le toline. Sulla parte superiore della stratosfera si trova lo strato di idrogeno caldo responsabile dello scattering Rayleigh, mentre al di sopra di esso si trova la porzione assorbente dello strato nuvoloso, soggetta ad una pressione di 25 millibar [26].
Probabile presenza di vapore acqueo
Il 10 aprile 2007 Travis Barman, del Lowell Observatory, ha annunciato la probabile esistenza di tracce di vapore acqueo nell'atmosfera del pianeta extrasolare. Utilizzando una combinazione di misurazioni precedentemente ottenute dal telescopio Hubble e dei nuovi modelli teorici sviluppati nel febbraio dello stesso anno, Barman ha rintracciato degli indizi della presenza delle linee di assorbimento dell'acqua nell'atmosfera del pianeta [27].
Secondo l'esito di diversi studi, le linee di assorbimento dell'acqua nell'atmosfera di questo genere di esopianeti appaiono molto marcate nell'infrarosso piuttosto che nel visibile. Barman, studiando i dati ricavati dal telescopio Hubble, li applicò al modello teorico sviluppato e identificò l'assorbimento dell'acqua nell'atmosfera planetaria.
Il 24 aprile l'astronomo David Charbonneau, che era stato a capo del gruppo che aveva condotto le misurazioni col telescopio Hubble, ha però messo in guardia sul fatto che degli artefatti del telescopio possano aver introdotto delle variazioni che hanno fatto sì che il modello teorico contemplasse la presenza di vapor acqueo nel pianeta. L'astronomo sperava che ogni dubbio sarebbe stato fugato nei mesi successivi [28].
L'ipotesi della presenza di vapore acqueo su HD 209458 b resta però ancora al vaglio della comunità scientifica, in attesa di ulteriori dati.
Note
1^ Dying Planet Leaks Carbon-Oxygen, 19 febbraio 2004, 2004, NASA, accesso 11-04-2007
2^ A. Vidal-Madjar, J.-M. Désert, A. Lecavelier des Etangs, et al., 2004, Detection of Oxygen and Carbon in the Hydrodynamically Escaping Atmosphere of the Extrasolar Planet HD 209458b, The Astrophysical Journal Letters, vol.604, pag. L69–L72, 10.1086/383347, accesso 1-06-2009
3^ GCVS query result: V376 Peg, General Catalog of Variable Stars, Sternberg Astronomical Institute, Mosca, Russia, accesso 15-05-2009
4^ Identification of Absorption Features in an Extrasolar Planet Atmosphere, T. Barman, The Astrophysical Journal Letters, vol.661, numero 2, 2007, Désert, J.-M.; Lecavelier des Etangs, A., pag. L191–L194, 10.1086/518736 (web Preprint)
5^ Water Found in Extrasolar Planet's Atmosphere, Space.com, accesso 01-06-2009
6^ Signs of water seen on planet outside solar system, Will Dunham, Reuters, 10 aprile 2007
7^ Water Identified in Extrasolar Planet Atmosphere, Lowell Observatory, 10 aprile 2007
8^ Henry et a IAUC 7307: HD 209458; SAX J1752.3-3138, 12 novembre 1999; David Charbonneau et al., Detection of Planetary Transits Across a Sun-like Star, 19 novembre, riportano le osservazioni del transito completo del 9 e del 16 settembre.
9^ Detection of Planetary Transits of the Star HD 209458 in the Hipparcos Data Set, Castellano et al., The Astrophysical Journal Letters, vol.532, issue 1, pag. L51–L53, University of Chicago Press, March 2000, 10.1086/312565
10^ NASA's Spitzer First To Crack Open Light of Faraway Worlds, accesso 1-06-2009
11^ L. Jeremy Richardson, et al., 2007, A spectrum of an extrasolar planet, Nature, vol.445, numero 7130, pag. 892–895, 10.1038/nature05636, accesso 1-06-2009
12^ Notes for star HD 209458, accesso 01-06-2009
13^ Tidal Heating of Extra-Solar Planets, Brian Jackson, Richard Greenberg, Rory Barnes, Astrophysical Journal, 2008, 10.1086/587641, vol.681, pag. 1631
14^ Measuring accurate transit parameters, 2008, Joshua N. Winn
15^ Measurement of Spin-Orbit Alignment in an Extrasolar Planetary System, Winn et al., The Astrophysical Journal, vol.631, numero 2, pag. 1215–1226, 10.1086/432571, 2005
16^ Ground-based detection of sodium in the transmission spectrum of exoplanet HD 209458b, I. A. G. Snellen, S. Albrecht, E. J. W. de Mooij, R. S. Le Poole, Astronomy and Astrophysics, vol.487, 2008, pag. 357–362, 10.1051/0004-6361:200809762
17^ Photometric Light Curves and Polarization of Close‐in Extrasolar Giant Planets, Seager et al., The Astrophysical Journal, vol.540, numero 1, 2000, pag. 504–520, 10.1086/309292
18^ Determining Atmospheric Conditions at the Terminator of the Hot-Jupiter HD209458b, arXiv, 2008, David K. Sing, A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, et al, accesso 2-06-2009
19^ The Astrophysical Journal Letters, vol.673, numero 673, pag. L87–L90, 20 gennaio 2008, 10.1086/527475, Sodium Absorption from the Exoplanetary Atmosphere of HD 189733b Detected in the Optical Transmission Spectrum, Seth Redfield, Michael Endl, William D. Cochran, Lars Koesterke, accesso 2-06-2009
20^ G. Hébrard, A. Lecavelier Des Étangs, A. Vidal-Madjar, J.-M. Désert, R. Ferlet, 30 giugno - 4 luglio 2003, Evaporation Rate of Hot Jupiters and Formation of Chthonian Planets, Extrasolar Planets: Today and Tomorrow, ASP Conference Proceedings, Institut d'astrophysique de Paris; Jean-Philippe Beaulieu, Alain Lecavelier des Étangs Caroline Terquem, Vol. 321
21^ Astronomy and Astrophysics, vol.485, pag. 865-869, 2008, Rayleigh scattering by H in the extrasolar planet HD 209458b, A. Lecavelier des Etangs, A. Vidal-Madjar, J.-M. Désert, D. Sing, 10.1051/0004-6361:200809704
22^ Towards the Albedo of an Exoplanet: MOST Satellite Observations of Bright Transiting Exoplanetary Systems, 2008, J. F. Rowe et al, accesso 2-06-2009
23^ J. Matthews, 2005, MOST Space Telescope plays 'Hide & Seek' with an Exoplanet; Learns anout Atmosphere and Weather of a Distant World, accesso 2-06-2009
24^ Spectrum and atmosphere models of irradiated transiting extrasolar giant planets, 2008, Ivan Hubeny, Adam Burrows
25^ Radiative Hydrodynamical Studies of Irradiated Atmospheres, 2008, Ian Dobbs-Dixon
26^ Determining Atmospheric Conditions at the Terminator of the Hot-Jupiter HD209458b, 2008, David K. Sing, A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, et al, accesso 02-06-2009
27^ First sign of water found on an alien world, 10 April 2007, New Scientist Space, accesso 2-06-2009
28^ All Wet? Astronomers Claim Discovery of Earth-like Planet, J.R. Minkle, Scientific American, 24 aprile 2007
Bibliografia
- D. Charbonneau, 2003, HD 209458 and the Power of the Dark Side, Scientific Frontiers in Research on Extrasolar Planets, ASP Conference Series, Vol 294, Drake Deming and Sara Seager, San Francisco, ISBN 1-58381-141-9, pag. 449-456
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Voci correlate
- HD 209458
- 51 Pegasi b, un pianeta con caratteristiche simili
- HD 189733 Ab, un altro pianeta con caratteristiche simili
Collegamenti esterni
- New Scientist: Glow of alien planets glimpsed at last
- Nature: Light from alien planets confirmed
- JPL NASA Release on Direct Imaging
- New Scientist: Oxygen seen streaming off exoplanet
- Press release sodium detection
- Press release hydrogen detection
- Press release oxygen and carbon detection
- The Extrasolar Planets Encyclopaedia - Star : HD 209458
- ESA's homepage for the Hubble Space Telescope
