Un laser per la caccia agli esopianeti

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Lo strumento emette 10 miliardi di impulsi al secondo, ciascuno dei quali dura circa 40 femtosecondi con una potenza media di 650 milliwatt.

Scienziati del Centro per la fotonica applicata dell’Università di Costanza, in Germania, e del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno realizzato un laser ultraveloce che offre una combinazione unica tra alta velocità, brevità degli impulsi e alta potenza media. Lo stesso gruppo del NIST ha mostrato che questo tipo di laser, se utilizzato come tecnica per misurare le diverse componenti della luce, potrebbe aumentare la sensibilità degli strumenti astronomici di 100 volte.
Lo strumento, che verrà illustrato nel corso della Conference on Lasers and Electro-Optics che si svolgerà nei prossimi giorni a San Jose, in California, emette 10 miliardi di impulsi al secondo, ciascuno dei quali dura circa 40 femtosecondi con una potenza media di 650 milliwatt. Per confronto, si tratta di impulsi 10 volte più frequenti di quelli prodotti da analoghi dispositivi standard utilizzati attualmente presso il NIST. I valori di potenza, peraltro, sono da 100 a 1000 volte più alti dei tipici laser ad alta potenza.

L’applicazione più promettente del nuovo laser resta la ricerca astronomica, sostengono i gli autori. In particolare, il dispositivo potrebbe essere utile nella “caccia” ai pianeti che orbitano intorno a stelle distanti. Uno dei metodi utilizzati in questo ambito, infatti, è la misurazione delle lievi variazioni di colore delle stelle dovuti alla presenza di pianeti in orbita, dovuti alle infinitesime variazioni di distanza della stessa stella rispetto all’osservatore: quelle attualmente rilevabili sono dell’ordine di metri al secondo. Ma l’ambizione è ora quella di spingersi oltre.

Un femtosecondo equivale a un milionesimo di miliardesimo di secondo e gli impulsi laser che hanno una durata di tale ordine di grandezza rappresentano attualmente la frontiera della ricerca in questo campo. Ma come controllare in modo preciso questi impulsi per gli scopi più vari? ll’ultimo numero della rivista “Nature Physics”, i ricercatori dell’Imperial College di Londra descrivono una tecnica da loro messa a punto che permette di misurare la durata degli impulsi con un’accuratezza mai raggiunta prima. Schematicamente, si tratta di inviare un impulso laser a femtosecondi in un campione di gas, che risponde emettendo un impulso di raggi X di durata ancora più breve, fino a 10 volte. I ricercatori hanno constatato come lo spettro del raggio X emesso conservi tutte le informazioni per ricostruire il profilo d’onda dell’impulso laser originale. Grazie a un software appositamente progettato, sono poi riusciti a misurare per la prima volta la forma d’onda dei singoli impulsi. Secondo John Tisch, che ha partecipato allo studio: "Questa tecnica di misurazione è così accurata da determinare la posizione di un picco nell’impulso di onde elettromagnetiche di un laser con una precisione di soli 0,05 femtosecondi, o in altre parole, 50 attosecondi. Inoltre, la misurazione può essere effettuata su singoli impulsi e permette così di evitare di studiare le proprietà medie di molti impulsi. Si tratta di un notevole progresso in questo campo."

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Un pianeta extrasolare (o exopianeta, o esopianeta) è un pianeta che non appartiene al nostro sistema solare in quanto orbita attorno ad una stella diversa dal Sole. Al dicembre 2007, ne sono stati individuati 270. La maggior parte degli esopianeti sono stati scoperti tramite metodi di osservazione indiretta piuttosto che attraverso le osservazioni ottiche al telescopio. A causa dei limiti delle tecniche di osservazione attuali, la maggior parte dei pianeti individuati sono giganti gassosi come Giove e solo in misura minore pianeti rocciosi massivi del tipo per Terra.

Gli esopianeti conosciuti sono membri di sistemi planetari che orbitano attorno ad una stella. Esistono, tuttavia, numerose osservazioni non confermate di oggetti di massa planetaria non legati a vincoli gravitazioni con alcuna stella (i cosiddetti "pianeti interstellari"): questi corpi celesti no definibili come "pianeti" secondo l'attuale definizione redatta dall'Unione Astronomica Internazionale (UAI).

Gli esopianeti sono diventati soggetto di crescente interesse scientifico a partire dal 1995, quando fu confermata con sicurezza una delle prime scoperte (51 Pegasi b). Inizialmente l'individuazione è proseguita lentamente, ma a partire dal 2002, con l'affinamento dei metodi di osservazione, sono stati scoperti più di 20 pianeti extrasolari all'anno. Attualmente si stima che solo il 10% delle stelle simili al Sole posseggano un sistema planetario, ma questa percentuale potrebbe anche essere maggiore.

Spesso la ricerca di esopianeti coincide con la ricerca di mondi in grado di supportare una forma di vita extraterrestre. Ad oggi, Gliese 581 c - secondo pianeta del sistema planetario della nana rossa Gliese 581 distante approssimativamente 20 anni luce dalla Terra - sembra essere il miglior esempio di esopianeta di tipo terrestre orbitante nella zona abitabile del proprio sistema.

Rappresentazione artistica di una luna di HD 188753 Ab, il primo pianeta extrasolare scoperto all'interno di un sistema stellare multiplo a 3 stelle (stella tripla).



Pienamente confermata solo nel 1995, l'esistenza di pianeti extrasolari fu per lungo tempo ritenuta più che plausibile tanto che speculazioni scientifiche di questo tipo risalgono almeno all'inizio del XVIII secolo: la prima ipotesi dell'esistenza di questi corpi celesti fu formulata, infatti, da Isaac Newton nel 1713.

Annunci di presunte scoperte si susseguirono per tutto il XIX secolo, ma le tecniche di osservazione dell'epoca non erano sufficientemente accurate e tecnologicamente sviluppate per confermarle con sicurezza. Un caso significativo, in tal senso, fu la controversia che riquardò la stella binaria 70 Ophiuchi. Nel 1855, il capitano W. S. Jacob, dall'osservatorio di Madras della Compagnia delle Indie, misurò anomalie tali nell'orbita della stella da fargli ritenere "altamente probabile" che fossero dovute alla presenza di un pianeta. Tra il 1896 e il 1899, Thomas J. J. See, astronomo dell'Università di Chicago, e l'Osservatorio Navale degli Stati Uniti sostennero che le anomalie erano dovute alla presenza di un compagno oscuro con un periodo orbitale di 36 anni connesso ad una delle due stelle del sistema binario. A questa tesi si oppose Forest Ray Moulton che, nel 1899, pubblicò proprie analisi secondo le quali un sistema di tre corpi con i parametri orbitali descritti da See sarebbe risultato altamente instabile.

Il primo annuncio in grande stile della scoperta di un pianeta extrasolare risale al 1963: Peter van de Kamp sostiene di aver scoperto - tramite misurazioni astrometriche protratte per 20 anni - un compagno invisibile orbitante attorno alla stella di Barnard e con un massa pari a 1,6 volte quella di Giove.Tuttavia, dieci anni più tardi, nel 1973, John Hershey dimostra l'inesistenza del pianeta: l'anomalia misurata da de Kamp era il prodotto di un errore sistematico nella meccanica del telescopio utilizzato.

Il nostro Sistema Solare confrontato con quello di 55 CancriNel 1984, si apre un nuovo orizzonte nella scienza dei pianeti extrasolari: viene scoperto un disco circumstellare attorno alla stella β Pictoris. A 20 anni di distanza da quella scoperta sono note molte centinaia di dischi circumstellari che rappresentano le regioni in cui è in corso la formazione di nuovi pianeti oppure i residui di questo processo.

Pochi anni più tardi, nel 1989, viene annunciata da David Latham la scoperta di un compagno substellare attorno alla stella HD 114762. Il presunto pianeta (HD114762b) ha una massa non inferiore a 11 volte quella di Giove, condizioni molto vicine al limite di bruciamento del deuterio. Alla data del 2006 non è ancora chiara la sua natura: potrebbe essere un gigante gassoso supermassivo, ma anche - considerato un ipotetico limite superiore di 145 masse gioviane - una nana bruna o una nana rossa.

Nel 1992, gli astronomi Alexander Wolszczan e Dale Frail annuciano la scoperta di due pianeti molto esotici di massa non inferiore a 3,4 e 2,8 volte quella terrestre e orbitanti rispettivamente a 0,36 e 0,47 UA attorno alla pulsar PSR B1257+12 nella costellazione della Vergine. La scoperta dei due pianeti proviene dall'analisi dei dati - pubblicata tra il 1992 e il 1994 - di una campagna di osservazioni realizzata nel 1990 dall'osservatorio di Arecibo che aveva già condotto i due astronomi a identificare la pulsar sopracitata. Nel 1994 viene individuato anche un terzo pianeta, di massa pari a due volte la Luna e orbitante a 0.19 UA. Si tratta della prima scoperta di un sistema planetario extrasolare.

L'anno successivo, nel 1993, Gordon Walker sostiene l'ipotesi che le oscillazioni della velocità radiale della stella Alrai (γ Cephei) potrebbero derivare dalla presenza un pianeta di massa pari a due volte quella di Giove come effettivamente confermato da osservazioni più accurate condotte nel 2002.

La parte interna del nostro Sistema Solare sovrapposta all'orbita dei pianeti HD 179949 b, HD 164427 b, Epsilon Reticuli Ab, e Mu Arae bIl 5 ottobre 1995, Michel Mayor e Didier Queloz, dell'Osservatorio di Ginevra, annunciano di avere scoperto il primo pianeta extrasolare di massa paragonabile a quella di Giove attorno alla stella 51 Pegasi. Pochi giorni più tardi, il 12 ottobre, gli americani Geoff Marcy e Robert Butler - che stavano conducendo una campagna di osservazione simile a quella degli astronomi svizzeri - confermano l'esistenza del pianeta e che le variazioni della velocità radiale no imputabili all'attività superficiale della stella come affermato dai detrattori della scoperta.

Fonte di ricerca: Pagina principale - Wikipedia