Storia degli esopianeti scoperti in Italia

Ottanta. Degli oltre seimila pianeti extrasolari individuati finora, ottanta sono stati svelati per la prima volta in studi guidati da ricercatrici e ricercatori affiliati a enti, atenei e progetti italiani. Ce n’è per tutti i gusti: giganti gassosi (29), nettuniani (12), mini-nettuni (16) e super-terre (25). In una decina di casi, l’indagine ha rivelato non solo un pianeta ma un intero sistema planetario. In occasione del trentesimo anniversario dalla constatazione che il Sistema solare non è unico nella galassia, con l’annuncio nell’ottobre 1995 di 51 Pegasi b, primo esopianeta scovato intorno a una stella simile al Sole, abbiamo deciso di raccontare queste scoperte “made in Italy” con una nuova infografica.

Il contributo dell’Italia alla ricerca sugli esopianeti è, chiaramente, molto più grande. Tanti altri pianeti sono stati scoperti in lavori in cui la partecipazione italiana è stata determinante, anche se non ha portato alla prima firma dell’articolo, per non parlare degli studi guidati da ricercatrici e ricercatori italiani all’estero. La scoperta, poi, è solo l’inizio: una volta individuato un esopianeta e confermata la sua natura, questo va studiato in dettaglio per specificare le sue caratteristiche, dalla densità alle specie chimiche che ne popolano l’atmosfera. Gli articoli che annunciano la rivelazione di questi ottanta esopianeti sono infatti solo una piccolissima percentuale delle oltre duemilasettecento pubblicazioni scientifiche – più di duemila delle quali pubblicate in riviste peer-reviewed – che vedono coinvolta la comunità italiana che si occupa di pianeti extrasolari.

Eppure, da qualche parte si doveva pur partire per raccontare questa storia. Abbiamo deciso di partire dalle scoperte. Scoperte che cominciano a essere pubblicate dieci anni dopo il fatidico annuncio che sarebbe valso a Michel Mayor e Didier Queloz il Premio Nobel per la fisica, e che per i primi anni restano rade. Poi, una decina d’anni più tardi, cambia qualcosa: le scoperte aumentano in numero, ma anche in varietà. Ai giganti gassosi, rappresentati con un dischetto arancione, si aggiungono le super-terre, in rosso, i pianeti di tipo nettuniano, in azzurro, e i mini-nettuni – pianeti con composizione simile a quella di Urano e Nettuno, ma con una massa inferiore –, in verde.

L’infografica riflette l’evoluzione di questo campo di studi nel nostro paese. «In meno di trent’anni», commenta Serena Benatti, ricercatrice dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) a Palermo e chair del progetto nazionale Global Architecture of Planetary Systems (Gaps) «la ricerca italiana sugli esopianeti si è evoluta da una cerchia di pochi ricercatori sparsi sul territorio a una comunità vasta e giovane. Questa crescita è stata guidata sia dall’interesse e dalla curiosità verso questa scienza, ma anche grazie alla capacità di cogliere le opportunità che si sono presentate, come l’installazione di Harps-N al Telescopio nazionale Galileo, che ha dato vita al gruppo Gaps».

L’opportunità di sfruttare nuovi strumenti scientifici e la disponibilità di missioni spaziali dedicate hanno determinato alcuni dei “salti” in questa corsa alla ricerca di pianeti sempre più lontani, sempre più piccoli, dalle proprietà splendidamente variegate, meravigliosamente sorprendenti. Oggi, oltre un centinaio di persone in tutta Italia sono coinvolte in quella che è rapidamente diventata una delle branche più floride dell’astrofisica contemporanea, unite dalla domanda pressante: è davvero unico il nostro piccolo pianeta blu?

Il primo puntino nell’infografica ci riporta indietro di vent’anni. È il 2005 e Alessandro Sozzetti, oggi direttore della sede torinese dell’Inaf, era un ricercatore post-doc, concluso da poco il dottorato all’università di Pittsburgh, negli Stati Uniti, proprio sugli esopianeti. All’epoca, se ne conoscevano meno di centocinquanta. Il nuovo aggiunto alla lista si chiama Hd 81040, ha una massa almeno sei volte superiore a quella di Giove e impiega poco meno di tre anni terrestri – per la precisione, mille e un giorni – a completare un’orbita intorno alla sua stella, a circa cento anni luce da noi. La scoperta è basata su oltre tre anni di osservazioni realizzate all’Observatoire de Haute Provence con Elodie, lo storico spettrografo usato da Mayor e Queloz (peraltro co-autori dell’articolo) per rivelare 51 Pegasi b, che sarebbe stato smantellato poco dopo, nel 2006, nonché su dati raccolti ancora prima con lo spettrografo Hires al telescopio Keck delle Hawai’i, altro importante strumento dei primordi della ricerca esoplanetaria. Così questa storia prende il testimone dai primi, rivoluzionari lavori che hanno determinato la nascita di questo campo di studi, per muoversi poi verso nuovi orizzonti.

«Ogni scoperta individuale era più importante, si era in una fase pionieristica», ricorda Silvano Desidera, ricercatore Inaf a Padova e primo autore delle scoperte immediatamente successive in questa storia: quattro esopianeti, due dei quali in un sistema multiplo, rivelati tra il 2011 e il 2014, quando ancora di pianeti confermati se ne contavano meno di mille. Tutti e quattro identificati con il Telescopio nazionale Galileo (Tng), il più grande telescopio ottico e infrarosso interamente italiano, con uno specchio di 3,58 metri di diametro, inaugurato nel 1998 sull’isola di La Palma, alle Canarie.

I primi due, Hd 132563 Bb e Hd 106515 Ab, sono stati individuati con Sarg, spettrografo operativo al Tng sin dal 2000: uno strumento progettato e sviluppato in Italia, pensato per svariati obiettivi scientifici tra cui anche la misura di velocità radiali – il primo metodo usato per la rilevazione di esopianeti, e ancora oggi uno dei principali – ma non ottimizzato per questo scopo. Nel 2012 gli farà seguito Harps-N, strumento di nuova generazione, progettato proprio per la ricerca di esopianeti da una collaborazione internazionale con a capo l’Università di Ginevra. Collaborazione che, sotto la guida di Mayor, aveva già installato uno strumento analogo (Harps) al telescopio da 3,6 metri dell’Eso all’Osservatorio di La Silla, in Cile, e che adesso cercava di collocarne una controparte nell’emisfero nord per validare i candidati che ormai venivano scoperti a palate dal nuovo telescopio spaziale della Nasa, Kepler, dedicato agli esopianeti e lanciato nel 2009. È proprio «grazie alla mobilitazione della comunità italiana, che nel frattempo aveva cominciato a crescere», precisa Desidera, che è stato possibile portare questo strumento al Tng.

Molto più facile da usare rispetto a Sarg, Harps-N permette «di ottenere misure di velocità radiale, il che consente di dare più peso agli aspetti interpretativi dei risultati piuttosto che alle misure stesse», prosegue il ricercatore. È così che arriva la scoperta di ben due pianeti intorno alla stella XO-2S, il primo sistema multiplo tra quelli individuati in Italia, a circa cinquecento anni luce dalla Terra. «La stella ha un compagno stellare di massa molto simile (XO-2N), che aveva una pianeta già noto al momento delle nostre osservazioni», spiega Desidera. «Il target delle nostre osservazioni era proprio la stella con il pianeta noto XO-2N, ma essendo le due stelle vicine e molto simili tra loro, XO-2S è stata osservata per errore un paio di volte. Queste due osservazioni ci hanno consentito di evidenziare la presenza di variazioni di velocità radiale, che seguite nel tempo hanno portato alla scoperta di due pianeti – e successivamente di un terzo (nel 2024, ndr)».

Il sistema stellare XO-2 è diventato un vero e proprio laboratorio per studiare i processi di formazione planetaria e la multiforme varietà dei sistemi a cui danno origine: queste due stelle infatti sono molto simili tra loro, a meno di una piccola ma misurabile differenza di composizione chimica, ma i loro sistemi planetari sono molto diversi. Secondo Desidera, «la scienza procede nella maggior parte dei casi per esperimenti ben pianificati ma talvolta il caso gioca un ruolo rilevante ed è importate saper cogliere e interpretare quanto ci capita di osservare in modo del tutto inaspettato».

Da allora, il Tng è stato decisivo per questo settore di ricerca in Italia: se Sarg aveva permesso alla comunità di muovere i suoi primi passi, con lo svolgimento dei primi programmi osservativi nel campo degli esopianeti, Harps-N, operativo ancora oggi, ha favorito il coagularsi di un gruppo nazionale particolarmente attivo in quest’area, ed è stato in seguito affiancato da un altro strumento dedicato agli esopianeti, lo spettrografo ad alta risoluzione Giano-B. «Inoltre, il Tng è diventato una vera e propria palestra per gli astronomi più giovani», nota Desidera, «grazie alla disponibilità della direzione, che ha spesso consentito la possibilità di training di nuovi osservatori e più recentemente con una quota di tempo osservativo riservata in modo specifico per proposte su pianeti extrasolari da parte di giovani ricercatori».

È questa comunità che ha dato vita all’impennata di scoperte dell’ultimo decennio, scoperte quanto mai variegate grazie alla disponibilità di nuovi strumenti sempre più precisi. Dal 2016 in poi, iniziano a fioccare super-terre, nettuniani, mini-nettuni: pianeti che non hanno corrispondenti nel Sistema solare e ancora una volta mettono in discussione la nostra comprensione dei processi che plasmano le strutture nel cosmo. Non per questo scompaiono i giganti – pianeti di tipo gioviano, che continuano a essere scoperti, in particolare a grandi distanze dalla Terra. Il più lontano di questa collezione, Tyc 4282-605-1 b, è grande almeno undici volte il nostro Giove e si trova a oltre 2200 anni luce di distanza: a scovarlo è stata la ricercatrice spagnola Esther González-Álvarez nel 2017, durante il dottorato all’Università di Palermo (è il dischetto arancione più a destra nell’infografica).

Uno dei cacciatori più prolifici di esopianeti, autore di otto di queste scoperte, è Mario Damasso, ricercatore Inaf a Torino, che si è avvicinato a questo campo dopo la laurea in fisica, durante il dottorato all’Università di Padova. «Ai tempi dei miei studi universitari non si parlava di esopianeti in nessuno dei corsi che ho seguito», sottolinea, «ma mi ci sono imbattuto da solo leggendo qualche articolo e l’idea di farne il mio lavoro è rimasta da qualche parte nella mia testa. Per fortuna, non è rimasta solo un’idea».

Damasso, che dichiara di aver «imparato il mestiere» proprio sui dati raccolti con Harps-N al Tng, ripensa soprattutto a uno dei “suoi” pianeti, Gl 514 b, una super-terra in orbita attorno a una stella nana rossa molto vicina a noi, a circa 25 anni luce dal Sole. Nell’infografica è visibile come il puntino rosso più prossimo alla Terra tra le scoperte del 2022. «Mi sta a cuore per tre motivi», ammette il ricercatore. «Il primo, perché decisi di mia iniziativa di analizzare in dettaglio i dati raccolti per molti molti anni e provare a vedere se usciva fuori qualcosa». La stella Gl 514, infatti, era stata esclusa fino ad allora dalla lista delle “papabili”, quelle da indagare in cerca di possibili pianeti in orbita, per capirci, poiché il segnale prodotto nelle velocità radiali dal pianeta è molto piccolo e difficile da rivelare senza utilizzare metodi di analisi dati sofisticati. «La scoperta del segnale mi ha dato la possibilità di coordinare un lavoro che ha coinvolto diversi colleghi, in parallelo ai progetti in cui ero coinvolto», continua. «Una bella esperienza di crescita. Il secondo motivo è che il pianeta è piuttosto interessante per lo studio della sua potenziale abitabilità e la sua scoperta ha portato a nuove collaborazioni su aspetti che non fanno parte della mia esperienza scientifica. Il terzo motivo è che quando ho iniziato questo lavoro stavo vivendo un momento molto doloroso a livello personale, e potermi dedicare a questo studio mi ha aiutato».

Scoprire un nuovo pianeta, confessa Damasso, è decisamente uno dei traguardi professionali più appaganti. «Ho avuto la fortuna di vivere la soddisfazione che si prova a essere il primo a rivelare un segnale che ti dice “fermi tutti, intorno a quella stella c’è un compagno che le ruota attorno che nessun altro ha notato prima”… ovviamente, fino a prova contraria, perché può succedere che un nuovo esopianeta si riveli poi non essere tale, sulla base di nuovi dati o di metodi di analisi dati alternativi. La scienza funziona così». Concorda con lui un altro prolifico scopritore di mondi extrasolari, Davide Gandolfi, professore associato all’Università di Torino e autore di nove delle scoperte riportate nell’infografica. «La scoperta di un nuovo esopianeta ha un fascino ineguagliabile», afferma. «Sento sempre un brivido attraversarmi la schiena quando individuo, in una serie temporale di misure di velocità radiali, il debole segnale indotto sulla stella dalla presenza di un pianeta in orbita attorno a questa».

Formatosi all’Università di Catania, con laurea sui corpi minori del Sistema solare e dottorato sulla formazione stellare, Gandolfi si affaccia agli esopianeti nel corso di un post-doc in Germania e, subito dopo, durante una research fellowship dell’Agenzia spaziale europea (Esa) in Olanda. Erano gli anni delle prime scoperte di Corot, satellite europeo lanciato nel 2007, il primo dedicato proprio agli esopianeti – porta la sua firma Corot-11 b, gioviano caldo scovato nel 2010 intorno a una stella rapidamente rotante, uno dei pianeti che gli sta più a cuore «perché il primo amore non si scorda mai» (non presente però in questa infografica, come anche Corot-10 b, scoperto nello stesso anno dall’italiano Aldo Bonomo, quando era in forza al Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, in Francia).

Un’altra scoperta guidata da Gandolfi, allora da poco rientrato in Italia, è quella di Pi Mensae c, una super-terra che passa di fronte alla sua stella ogni 6,3 giorni, oscurando parte della sua luce. «Era inizio settembre del 2018 e la Nasa aveva da poco pubblicato la lista dei primi candidati pianeti individuati dal telescopio spaziale Tess», racconta il ricercartore. Nella lista figurava Pi Mensae, stella nana gialla dell’emisfero australe a circa sessanta anni luce da noi, visibile a occhio nudo, che secondo i dati di Tess – lanciato proprio quell’anno – ospitava un potenziale pianeta con un raggio pari a due volte quello terrestre, che le orbitava attorno in poco più di sei giorni. «Certo del fatto che una stella così brillante doveva essere stata osservata in passato con altri strumenti, una notte di metà settembre mi misi a cercare negli archivi online dell’Eso dati spettroscopici che potessero confermare la presenza del candidato pianeta individuato da Tess. Ancora oggi non riesco a descrivere la gioia e l’emozione che provai quando, dopo qualche ora di ricerca certosina, scoprii nei dati di archivio un segnale con lo stesso periodo di quello individuato da Tess». Con questa indagine, aveva confermato il primo pianeta identificato da Tess (visibile nell’infografica come l’unica super-terra scoperta nel 2018, in rosso).

Lo sfruttamento dei dati di Tess, missione a cui formalmente l’Italia non partecipa, è stato determinante nella scoperta di oltre metà dei pianeti riportati in questa infografica. Tra questi, il sistema di due mini-nettuni, uno dei quali estremamente “soffice”, trovati intorno alla stella Toi-421 nel 2020 da Ilaria Carleo, oggi ricercatrice Inaf a Torino e all’epoca associata Inaf durante un post-doc negli Stati Uniti, e Toi-1853b, il nettuniano più denso mai osservato, identificato nel 2023 da Luca Naponiello, oggi lui in forza all’Inaf di Torino, durante il dottorato all’Università di Roma Tor Vergata.

Al lancio di Tess farà seguito, nel 2019, quello di Cheops, satellite dell’Esa che invece vanta una forte partecipazione della comunità italiana, che ne ha progettato il telescopio. Cheops è dedicato alla caratterizzazione di esopianeti già noti, ma ha anche permesso la scoperta di qualche pianeta ancora sconosciuto. Ne è un esempio il quinto pianeta del sistema multiplo Toi 561, rivelato nel 2024 da Giampaolo Piotto dell’Università di Padova – i primi quattro erano stati scoperti qualche anno prima da Gaia Lacedelli durante il dottorato presso l’ateneo patavino, combinando dati di Tess con osservazioni realizzate usando Harps-N al Tng. Hanno beneficiato dei dati di Cheops anche le scoperte dei sistemi multipli intorno alle stelle Toi-1203 A e Hd 224018, pubblicate quest’anno da gruppi guidati rispettivamente da Gandolfi e Damasso.

Le missioni spaziali sono accompagnate da un altrettanto importante impegno della comunità italiana nello sviluppo di strumenti innovativi sui telescopi terrestri, come Espresso e Sphere sul Very Large Telescope dell’Eso in Cile, usati per esempio nella scoperta di Hd 5278 (noto anche come Toi-130b) firmata da Sozzetti nel 2021, e nell’identificazione di Mu2 Scorpii b da parte di Vito Squicciarini, dottorando dell’Università di Padova, e di AF Lep b, gioviano leggero attorno a una stella simile al Sole, da parte di Dino Mesa dell’Inaf padovano. Non mancano in questa storia strumenti e facilities che hanno permesso addirittura di osservare direttamente alcuni esopianeti, come il sistema planetario in formazione immortalato attorno alla giovane stella Hd 169142 da Davide Fedele dell’Inaf di Arcetri (Firenze) nel 2017 con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) in Cile, oppure il gigante eccentrico rivelato proprio quest’anno intorno alla stella Hd 57625 da Domenico Barbato, ricercatore Inaf a Padova, usando la fotocamera ad alto contrasto Shark-Nir sul Large Binocular Telescope in Arizona, insieme alle misure astrometriche del satellite Gaia.

Questo articolo non rende certamente giustizia ai tanti pianeti scoperti dalla comunità italiana, molti dei quali sono stati raccontati negli ultimi quindici anni qui, sulle pagine di Media Inaf. Con l’infografica – realizzata dall’astrofisica e illustratrice Maria Cristina Fortuna a partire dai dati raccolti da Daniela Sicilia, ricercatrice Inaf a Catania, insieme a Serena Benatti, Monica Rainer dell’Inaf di Brera (Milano) e la sottoscritta – abbiamo provato a raccontare alcune delle sfaccettature questa storia in maniera visuale. Abbiamo anche evidenziato alcuni dei pianeti più curiosi, come Gl 15 Ac, il più piccolo esopianeta noto con un periodo orbitale così lungo – 21 anni – nel sistema multiplo più vicino al Sole, a poco più di dieci anni luce da noi, scoperto nel 2018 da Matteo Pinamonti dell’Inaf di Torino. Oppure i due pianeti identificati attorno alla nana gialla Toi-5398, che costituiscono il più giovane sistema multi-planetario compatto, rivelato l’anno scorso da Giacomo Mantovan dell’Università di Padova. E abbiamo provato a dare spazio anche a qualche pianeta che la comunità italiana ha caratterizzato pur non detenendone la scoperta – primo fra tutti Kelt-9b, il più caldo esopianeta gigante gassoso noto.

Quello che emerge è la cronaca di una comunità nazionale che si è gradualmente consolidata, grazie soprattutto all’accesso a dati di nuova generazione e alla disponibilità di strumenti dedicati, e che ogni anno continua a sfornare scoperte di nuovi pianeti, a fronte di un numero ancor più consistente di studi che ne approfondiscono la caratterizzazione fisica e chimica e tentano di comprendere i loro processi di formazione ed evoluzione. Una comunità che, a trent’anni dalla nascita di questo entusiasmante campo di ricerca, si mostra decisamente pronta alle prossime sfide nello studio degli esopianeti, con strumenti di nuova generazione e missioni spaziali all’orizzonte che estenderanno e arricchiranno il panorama attuale nel corso del prossimo decennio, spingendosi sempre più lontano – o più vicino, ma con maggiore profondità – per affrontare uno dei quesiti più grandi dell’umanità, ovvero se siamo, in fondo, soli nell’universo.

«Oggi la nostra eccellenza si esprime sia nell’ambito tecnologico che in quello scientifico: i nostri ricercatori sono coinvolti in svariati progetti nazionali e internazionali per l’utilizzo di strumentazione d’avanguardia o lo sviluppo di modelli teorici innovativi», conclude Benatti, autrice peraltro di due delle scoperte rappresentate nell’infografica, il nettuniano Ds Tuc A nel 2019 e la super-terra Hd 164922 d nel 2020. «Vorrei anche ricordare i ruoli determinanti dell’Italia nelle missioni Esa Plato e Ariel o nei futuri strumenti per l’Extremely Large Telescope. La sfida dei prossimi anni sarà integrare i dati da terra e dallo spazio con i modelli evolutivi, per ricostruire la storia di questi mondi lontani e aiutarci a comprendere più a fondo l’origine, l’evoluzione e la rarità del nostro Sistema solare».