1

Planetologia Extrasolare

Introduzione e Sistema Solare

R.U. Claudi

2

• Introduzione e Sistema Solare

•Metodi Osservativi

•Caratteristiche Pianeti extrasolari

•Cenni formazione dei pianeti Extrasolari

• Zone abitabili ed Evoluzione del Pianeta

Terra

• Ricerca della vita

PROGRAMMA CORSO

3

I mondi si originano così: molti corpi di tutte le forme e dimensionisi muovono dall’infinito in un grande vuoto dove si uniscono e produconoun singolo vortice, nel quale, urtandosi l’un l’altro e girando in vari modiiniziano a separarsi (Leucippo ~480-420 a.C.)In alcuni mondi non ci sono il Sole a la Luna, in altri sono più grandi che nel nostro mondo, e in altri ancora più numerosi. Ci sono mondi vuoti di creature o piante o ogni umidità (Democrito ~460-370 a.C.)

Ci sono infiniti mondi, sia simili che diversi dal nostro. Poiché gli atomisono infiniti in numero, come già dimostrato, non esiste alcun ostacoload una infinità di mondi (Epicuro, 341-270 a.C.)

Ma Aristotele (384-322 a.C) sostiene che: Non può esserci più di un mondo

La ricerca di altri mondi non comincia oggi…

4

Giordano Bruno (1548-1600):De l’Infinito, Universo et Mondi

Sostiene che l’universo èinfinito, vi sono infiniti mondi e che questi sono tutti abitati da essere intelligenti

…e per qualcuno non è stata salutare..

5

Galileo, Kepler e i lunatici…1610: Sidereus Nuncius

Mare Terra

ipotizzò che la cavità lunare osservata da Galileo fosse stata formata da abitanti intelligenti che “...fecero le loro case in numerose caverne”.

6

Vortici e dubbi….

Bovier de Fontenelle, (1688) “Entretiens sur la pluralitè des mondes”

“if the fix’d stars are so many Suns, and our Sun the centre of the Vortex that turns around him, why may not every fix’d star be the centre of a vortex that turns round the fix’d star? Our Sun enlightens the Planets, why may not every fix’d star have planets to which they give light?”

Cartesio 1644: “Principia Philosophiae

Torna alla visione atomistica: vuoto riempito di atomi. Creazione dei vortici, moto imposto da Dio, formazione del sistema solare

7

Primo approccio scientifico al problema: Proctor e Flammarion

“Other worlds than ours” (1870)Non è possibile dimostrare l’esistenza della vita su altri mondi

“Our place among infinities” (1875)

Possibilità futura di vita su Giove e Saturno a causa evoluzione

“La pluralitè des mondes habites” (1862) La teoria dell’evoluzione cosmica, bandisce il concetto di antropocentrismo.La vita si genera spontaneamente e poi evolve seguendo i percorsi tracciati dalla sua interazione con l’ambiente circostante.

8

EXOBIOLOGY…. la prima volta…

Joshua Lederberg (1925 - 2008)

1958: Premio Nobel per i suoi lavori sulla genetica e sulla capacità dei batteri di scambiarsi geni

1960: “Exobiology: experimental approches to life beyond the Earth”.

9

1963: La stella di Barnard e Peter van de Kamp

HIP 87937: Stella della costellazione di Ofiuco.

Tipo spettrale M4

Mv=9.5

Distanza=18.8 pc

Moto Proprio

μ=-798.71 mas/yr

μ=-798.71 mas/yr

Nel 1963 P. van de Kamp interpreta una perturbazione nel moto proprio della stella come causato da un pianeta gigante di tipo Gioviano.

1980: l’interpretazione viene smentita da misure indipendenti

1010

1995, 1995, Mayor & Queloz annunciano 51 Peg bMayor & Queloz annunciano 51 Peg b: il primo pianeta extrasolare scoperto.

Curva di velocita’ radiale

Metodo di scoperta: Oscillazione del baricentro della stella per la presenza del pianeta.

11

Il Sistema Solare

12

Posizione dei Pianeti

Sole

Saturno: n=5

Nettuno: n=7

Plutone: n=8

Fascia asteroidi: n=3

Giove: n=4

Urano: n=6

Terra: n=1

Marte: n=2

Mercurio: n=-

Venere: n=0

€

D(UA ) = 0.47 + 0.3⋅2n

13

I Pianeti Rocciosi o di tipo Terrestre

1) Vicini al Sole

2) Alta densità

3) Piccoli raggi

4) Piccole Masse

5) Elevata craterizzazione

6) Atmosfera: poca o nulla

7) Pochi satelliti

Mercurio

Terra

MarteVenere

14

PIANETI TERRESTRI: ROCCIA E METALLI

PIANETATERRA MERCURIO VENERE MARTE

Diametro equatore (km) 12756 4878 12104 6794

Densità (kg/m3) 5517 5500 5250 3933

Massa (Terra=1) 1 0.055 0.815 0.107

Gravità (Terra=1) 1 0.38 0.903 0.38

Velocità di fuga (km/s) 11.2 4.3 10.36 5.03

Distanza dal Sole (UA) 1.00000 0.38710 0.72333 1.52369

Distanza dal Sole (106km)149.6 57.9 108.2 227.9

Periodo orbitale (anni) 1 0.241 0.615 1.88

Velocità Orbitale (km/s) 29.79 47.89 35.03 24.13

Temperatura Superficiale (C)

10 127 457 63

15

I Pianeti Gassosi o di tipo Gioviano

1) Lontani dal Sole

2) Bassa densità

3) Grandi Raggi

4) Grandi Masse

5) Atmosfere estese

6) Molti satelliti

Giove

Nettuno

Saturno Urano

Plutone

16

PIANETI GIGANTI: GAS, GHIACCIO, ROCCIA

Tutti emettono piu’ energia di quanta ne ricevono dal Sole

PIANETAGIOVE SATURNO URANO NETTUNO

Diametro equatore (km) 142796 120000 50800 48600

Densità (kg/m3) 1330 706 1270 1700

Massa (Terra=1) 318.832 95.162 14.536 17.139

Gravità (Terra=1) 2.643 1.159 1.11 1.21

Velocità di fuga (km/s) 60.22 32.26 22.5 23.9

Distanza dal Sole (UA) 5.20248 9.53884 19.18184 30.05798

Distanza dal Sole (106km)778.3 1427 2869 4497.1

Periodo orbitale (anni) 11.867 29.461 84.013 164.793

Velocità Orbitale (km/s) 13.06 9.64 6.81 5.43

Temperatura Superficiale (C)

-148 -178 -213 -213

17

Età del Sistema Solare e Sua Misura

Determinazione dell’età del sistema solare tramite il metodo della datazione radioattiva. Età: 4.55 109 anni€

N t = N0 exp(−λ t) = N0 exp −0.693t

τ 1/ 2

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

18

Il Sistema Solare: fatti osservativi

• Orbite: progradi, bassa eccentricità e complanarità

• Orbite comprese in circa 30 UA

• Presenza di corpi minori

• Rotazione Planetaria come rivoluzione (tranne Venere, Urano e Plutone)

• Massa totale pianeti 0.2%, Momento angolare 98%

• Composizione chimica

• Età (4.5 Gyr)

• Meteoriti e Craterizzazione

19

1. Formazione del disco1. Formazione del disco

2. Sedimentazione della polvere2. Sedimentazione della polvere

3. Formazione dei planetesimi3. Formazione dei planetesimi

4. Formazione pianeti terrestri4. Formazione pianeti terrestri

5. Formazione dei pianeti giganti5. Formazione dei pianeti giganti

6. Dissipazione del disco6. Dissipazione del disco

Formazione planetaria: Modello Standard

20

FORMAZIONE DEI PLANETESIMI DALLA POLVERE DEL DISCO

VZ= (2 z R) / ( g cs)

Velocita’ di discesa nel piano mediano del disco lungo l’asse z (gravita’)

• = Densità della Particella

• cs = velocita’ del suono

• g = densita’ del gas 10-9 g/cm3

= ( G M٭ / r )½

R = raggio della particellaPer 1 m td 107 anni > eta’ della nebula !!!Collisioni sticking chimico crescita in dimensioni vz R ttdd

10 1044

Disco di materiale solido con particelle 1-100 mm

Formazione dei planetesimi ?

Instabilita’ gravitazionale (Goldreich & Ward 1978) Mp 16 2 G2 s

3 / n4

1 – 10 km a 1 AU TURBOLENZA!! La polvere trascina il gas a VK.

Crescita continua fino a 1-10 km. Attenzione al drift veloce verso la stella. 1 m impiega 100 anni. Sticking chimico e meccanico? Turbolenza?

Vortici (Tanga et al. 1996) planetesimi crescono rapidamente nei vortici per instabilita’ o sticking

21

Simulazione che mostra come si possano formare planetesimi per coagulazione durante la sedimentazione verso il piano mediano. Importante e’ il calcolo delle velocita’ relative che dipendono dall’interazione con il gas e la dimensione delle particelle di polvere.

Importante e’ la risoluzione verticale perché i corpi più grossi tendono a concentrarsi verso il piano mediano.

Weidenschilling, 2000

22

23

Equazioni di Stewart & Wetherill (1989) per descrivere la variazione della V1 di una popolazione di massa m1 a causa di interazioni con una popolazione di massa m2 e V2. Contributo dovuto a scattering gravitazionale: eq. Fokker-Planck. Collisioni inelastiche con eq. di Boltzmann.

Velocita’ relative tra i planetesimi: le equazioni

V2 = (5/8 e2 + 1/2 i2 ) V2K Velocita’ quadratica media

d V1 / dt = A + B + C + D + E

A = 3/4 ½ ( G2 / V1) V12-3 v2 ln ….....Stirring

viscoso dovuto agli incontri gravitazionaliincontri gravitazionali a 2 corpi

B = ½ (m2 (v12 – v2

2) + 2 m1 v12) ….. Stirring

viscoso dovuto a collisioni inelastichecollisioni inelastiche

C = - ½ (R1 + R2)2 V12 ……… Riduzione dell’energia termica causato da collisioni collisioni inelasticheinelastiche

D = 4 ½ L G2 (m2 v22 – m1 v1

2) ….. Riduzione dell’energia termica per frizione dinamicafrizione dinamica (equiripartizione dell’energia)

E = - CD / (2m) g Vgas R2 Gas drag.V relativa fondamentale per modellare collisioni che a V relativa fondamentale per modellare collisioni che a loro volta determinano la velocita relativa!!!loro volta determinano la velocita relativa!!!

24

Runaway growth Formazione di protopianeti Fase dei Grandi Impatti (formazione della Luna).

I protopianeti a causa delle mutue perturbazioni gravitazionali aumentano le proprie eccentricita’ e le orbite si intersecano: collisioni tra i protopianeti.

25

Alcuni miliardi di planetesimi ruotano attorno alla protostella su orbite Kepleriane

I planetesimi collidono e formano oggetti piu’ grossi fino ai pianeti e il nucleo dei pianeti giganti. Asteroidi e comete sono i planetesimi residui della processo di formazione planetaria

Asteroidi e Comete

26

Origine della Luna per un giant impact. Il proiettile era forse delle dimensioni di Marte.

La Luna si riaccumula dal disco di debris intorno alla Terra.

27

4 UA

Pianeti terrestri

(rocciosi)Pianeti giganti Core: roccia +

ghiaccio;

Involucro: gas (H, He..)

Accumulazione planetesimale in protopianeti t 1 – 5 Myr (pianeti terrestri), ≤ 1 Myr (pianeti giganti??) Stadio dei "grandi Impatti": t 1-100 Myr a seconda della densità superficiale del disco s (formazione della Luna). "Gas infall" sui pianeti giganti (t 103-104 anni).

(Frost line) T T 170 K 170 K

Condensano ghiacci H2O, CH4, NH3 Ms / Mg 1/60

Condensano materiali refrattari (silicati, metalli) Ms / Mg 1/240

28

Sequenza di Condensazione

TCOND Materiale Pianeta TFORM

(K) (K)

1500 Ossidi Metallici Mercurio 1400

1300Ferro e Nichel

Metallici

1200 Silicati

1000Feldspati

(allumosilicati)Venere 900

680 Troilite (FeS) Terra e Marte 600 e 400

175 H2O (ghiaccio) Gioviani 175

150Ammoniaca, H2O

(ghiaccio)

120Metano, H2O

(ghiaccio)

65 Argon-Neon Ghiaccio Plutone 65

29

Atmosfere Planetarie

Definizione Esosfera

Parametro di Fuga

€

X =v inf

v0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

2

30

Atmosfere Planetarie

31

Giallo: idrogeno molecolare

Rosso: idrogeno metallico

Blu: ghiacci

Nero: roccia

STRUTTURA DEI PIANETI GIGANTI

32

Problemi del modello standard nel Sistema Solare:

Poca massa al presente nella Kuiper Belt

Tempi di formazione di Urano e Nettuno troppo lunghi ( 1 Gyr)

Troncamento della nebula oltre Saturno e migrazione di Urano e Nettuno verso l’esterno (Thommes et al. 2000; Weidenschilling et al. 2004).

Tempi scala per la formazione di U-N comparabili con quelli di G-S, meno massa nella Kuiper Belt.

33

ALCUNI DEI PROBLEMI APERTI NEL SISTEMA SOLARE

La mancata formazione di un pianeta nella regione asteroidale

Tempo scala della formazione di Giove. Core?

Cosa ha indotto alte e e i nella regione asteroidale?

Evoluzione collisionale degli asteroidi

La formazione di Urano e Nettuno. Migrazione?

Origine della struttura dinamica della Kuiper Belt (scattered disk, Plutini, disco ‘caldo’ e ‘freddo’....)

Massa, dimensioni e struttura della nebula presolare (MMSN?..)

Alte inclinazioni degli asteroidi Troiani di Giove

IL meccanismo generale di cattura dei Troiani.

Origine dei satelliti irregolari dei pianeti

Origine dei NEA

La Oort cloud?

34

• Le orbite dei pianeti sono quasi circolari

e complanari

• I pianeti giganti si formano solo a grandi

distanze dalla stella centrale

• Nelle zone centrali (ed in particolare

nella regione di abitabilità) dovrebbero

formarsi pianeti rocciosi

Previsioni del modello standard

35

Perché cercare pianeti fuori dal Sistema Solare?

Il sole è una stella di tipo abbastanza comune nella Galassia. Lo è anche per quanto riguarda la presenza del Sistema Planetario?

Come trovare altri “Soli”?

36

Il processo di nascita delle stelle è continuo, e anche oggi potrebbero esserci dei dischi protoplanetari

nelle regioni ricche di gas e polveri.

37

Il primo disco protoplanetario scoperto otticamente è stato quello di Pictoris, nel 1984.

38

Nella grande nebulosa di Orione sono stati identificati circa 60 dischi protoplanetari, in una fase evolutiva simile al sistema solare primigenio.

Una tale abbondanza di dischi fa pensare che la loro formazione sia un fenomeno comune nella galassia.

39

Low-mass PMS stars

Class I

Class II

Class III

40

Alcune stelle si trovano oggi nella fase in cui si trovava il Sistema Solare circa 4 miliardi di anni fa, la fase T-Tauri, caratterizzata da getti di materia. Queste stelle

vengono denominate ‘oggetti Herbig-Haro’

Quindi esistono numerosi dischi in cui attualmente si stanno formando nuovi pianeti.

Data la loro dimensione, ~30 miliardi di km, essi sono facili da rivelare.

Esistono anche altri pianeti già formati?

41

Un pianeta già formato è molto piccolo rispetto ad una stella. Giove ha un diametro di 140 mila km e la sua luce riflessa sarebbe difficilissima da rivelare attorno ad un’altra stella.

Gliese 623A e B Gliese 229A e B

60 MJ 20-50 MJ