NUOVO LAVORO GAPS SU A&A

Falsa magra o falsa grassa?

Pubblicato su Astronomy & Astrophysics l’ultimo lavoro del programma osservativo GAPS per la caratterizzazione dei sistemi planetari. Grazie allo spettrografo HARPS-N, il cacciatore di pianeti extrasolari dell’emisfero boreale montato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG) nelle Isole Canarie i ricercatori continuano a produrre risultati. La ricerca questa volta riguarda la composizione chimica del sistema binario visuale XO-2 attorno al quale proprio un anno fa il team GAPS aveva scoperto 2 nuovi pianeti.

Rappresentazione artistica del sistema binario XO-2 dove si vede in primo piano uno dei due giganti gassosi orbitanti attorno a XO-2S e il secondo pianeta che le transita davanti; l’oggetto luminoso in alto a destra rappresenta la compagna XO-2N con il suo pianeta transitante (il puntino nero). Crediti: adattamento dell’immagine ESO / L. Calçada

Rappresentazione artistica del sistema binario XO-2 dove si vede in primo piano uno dei due giganti gassosi orbitanti attorno a XO-2S e il secondo pianeta che le transita davanti; l’oggetto luminoso in alto a destra rappresenta la compagna XO-2N con il suo pianeta transitante (il puntino nero). Crediti: adattamento dell’immagine ESO / L. Calçada

Il nuovo lavoro del team GAPS, guidato questa volta da Katia Biazzo dell’INAF di Catania, è ancora una volta concentrato sul sistema XO-2 che tanto fece parlare di sé circa un anno fa.

Il sistema è formato da un sistema binario largo la cui componente XO-2N ha un pianeta, in transito già noto da tempo, mentre la componente XO-2S risulta avere almeno 2 pianeti rivelati proprio grazie al programma GAPS.

Per dimensioni, distanze, scale temporali e processi energetici con cui deve confrontarsi, l’astrofisica ha come unico possibile laboratorio l’Universo stesso. L’evoluzione dei sistemi planetari, per esempio, avviene in tempi scala decine di migliaia di volte maggiori di quelli umani risultando impossibile, quindi, da riprodurre in laboratorio.

Ed è per questo che lo studio di XO-2 rappresenta un’opportunità unica perché permette di studiare le differenze tra due stelle coeve. Queste, nate con identica composizione dallo stesso gas molecolare, hanno subito alterazioni dei loro parametri orbitali e delle abbondanze chimiche in seguito a interazioni mareali all’interno della nostra Galassia e al passaggio ravvicinato di altre stelle. Già si era rilevata la loro natura di “gemelli diversi”, la differenza cioè dei due sistemi planetari orbitanti attorno alle componenti. Quest’ultima indagine è andata invece ad approfondire le diverse abbondanze chimiche degli elementi attorno alle due stelle.

Il sistema è stato anche oggetto di uno studio, sempre da parte di un team GAPS capeggiato da Mario Damasso dell’INAF di Torino, nel quale, tra le varie cose, si è evidenziata un’abbondanza maggiore di ferro nell’atmosfera della componente N. Questa analisi delle abbondanze del ferro, ha quindi indotto i ricercatori a fare ulteriori approfondimenti visto che normalmente in un sistema binario non ci si aspetterebbe questa differenza tra le due stelle.

E’ vero che una diversa evoluzione stellare può dar luogo a differenze nell’abbondanza di più elementi ma in questo caso stiamo parlando, come più volte detto, di due stelle coeve e di massa comparabile.

In questo grafico i pallini blu rappresentano gli elementi chimici più volatili mentre i pallini rossi rappresentano gli elementi più pesanti.

In questo grafico è rappresentata la variazione della differenza in abbondanza chimica dei diversi elementi all’aumentare della loro temperatura di condensazione, all’aumentare cioè della loro poca volatilità. I pallini blu rappresentano gli elementi chimici più volatili mentre i pallini rossi rappresentano gli elementi più pesanti. Mentre per i blu si nota una distribuzione uniforme attorno a uno stesso valore (quindi non c’è variazione a seconda della loro volatilità), per i rossi si vede come ci sia una variazione sempre maggiore all’aumentare della temperatura di condenzasione dei dati elementi.

«Abbiamo analizzato un gran numero di elementi chimici, 25 per la precisione, proprio per andare a vedere quale fosse la differenza di abbondanza tra le due stelle elemento per elemento», racconta Katia Biazzo. «Abbiamo trovato che gli elementi chimici più pesanti, che normalmente condensano nelle regioni interne dei dischi proto-planetari, sono presenti in misura molto diversa nei dintorni delle due stelle. Mentre gli elementi chimici più leggeri, volatili, non mostrano questa gran differenza in abbondanza. Questo ci dice che c’è quindi una correlazione tra la differenza di abbondanza di un dato elemento e la sua temperatura di condensazione. Questo ci ha dato una chiara indicazione del fatto che questa differenza non è in alcun modo legata all’evoluzione stellare ma piuttosto alla presenza o meno di pianeti. Per ora abbiamo ipotizzato due diversi scenari per spiegare l’evidenza osservativa ma il lavoro è ancora lungo ed estremamente stimolante».

La temperatura di condensazione di un elemento in un disco proto-planetario è la temperatura alla quale quel dato elemento condensa. Nelle regioni interne, e quindi più calde, del disco gli elementi volatili saranno sempre allo stato gassoso mentre i grani di polvere si andranno a formare solo con quegli elementi che hanno temperature di condensazione più elevate come, per esempio, lo zirconio, il titanio, lo scandio e l’alluminio. Man mano che ci si sposta verso le regioni più esterne del disco si avrà la condensazione di elementi diversi e più volatili come il carbonio, l’azoto o l’ossigeno.

Parlando di pianeti quindi, la loro composizione chimica dovrebbe corrispondere alla loro zona di formazione del disco: nel nostro sistema solare Mercurio, per esempio, è più denso della Terra mentre i pianeti gassosi sono, come si sa, meno densi e possiedono un nucleo ghiacciato. In un sistema planetario in cui non vi siano stati rimescolamenti si trova quindi una precisa sequenza nelle densità.

Secondo quanto appena detto si capisce come la differenza nella composizione chimica delle due atmosfere stellari deve essere direttamente legata alla presenza o meno di pianeti e questo porta a ipotizzare due scenari. Naturalmente bisogna tenere in considerazione anche il fatto che i pianeti noti sono solo tre per due stelle e quindi tali interpretazioni sono limitate dai pochi, seppur unici e importanti, dati a disposizione.

La prima possibile interpretazione è che la componente S sia quella che ha mantenuto la composizione chimica originaria e la N si sia arricchita. La stella più ricca di elementi pesanti potrebbe aver inglobato un pianeta che diluendosi nell’inviluppo convettivo della stella ha dato luogo a quest’anomalia degli elementi pesanti. Il meccanismo attraverso il quale ciò potrebbe essere avvenuto è per ora ignoto, tra le varie ipotesi si contempla un’instabilità dinamica del sistema dovuta al fatto che ci si trova in un sistema binario.

La seconda interpretazione prevede invece che sia la componente N quella che ha mantenuto la composizione chimica originaria mentre la S si è depauperata. Questa interpretazione si basa sul fatto che il meccanismo di formazione planetaria prevede che, alla fine dell’evoluzione del disco proto-planetario, parte del materiale rimasto in circolo finisca sulla stella. Questo significa che, se non si sono formati pianeti, la stella sarebbe arricchita di elementi chimici pesanti. Se invece una certa quantità di materiale roccioso (pari a decine di masse terrestri nel caso del sistema binario studiato) è ora conglobata in pianeti, il materiale finale del disco proto-planetario della stella S risulta depauperato rispetto a quello della compagna o, comunque, non conterrebbe elementi pesanti in eccesso.

L’entità della differenza di abbondanza tra le due componenti richiede probabilmente la presenza di altri pianeti attorno a XO-2S dei quali per ora non si hanno evidenze e quindi anche questa rimane solo un’ipotesi. Entrambi gli scenari non sono attualmente inquadrabili in una teoria consistente quindi per ora non si è propensi né per l’uno né per l’altro.

Le conclusioni cui è giunto il team GAPS sono state ulteriormente confermate da uno studio indipendente condotto da Ramirez e collaboratori. La cautela in questi casi è d’obbligo finché non si avranno altre evidenze osservative sullo stesso sistema XO-2, e magari su altri analoghi che si potrebbero scoprire a breve con la strumentazione sempre più sofisticata di cui gli astronomi dispongono.

Link all’articolo su Arxiv: http://fr.arxiv.org/abs/1506.07073