Non solo galassie: Euclid e la ricerca di esopianeti

Normalmente scruta il cielo più profondo per censire miliardi di galassie lontanissime e cercare di smascherare il “lato oscuro” dell’universo. Ma per un giorno – 26 ore, per la precisione – la missione Euclid dell’Agenzia spaziale europea (Esa) ha vestito i panni d’un cacciatore di esopianeti, puntando il suo potente telescopio a “soli” 26mila anni luce da noi, verso il centro della nostra galassia, la Via Lattea. Il risultato è la Quick Data Release 2, resa pubblica oggi: un’immagine di quasi cinque gradi quadrati, pari a circa venti volte l’area apparente della Luna piena, che racchiude oltre 60 milioni di stelle.

Lo scopo è cercare, tra queste stelle, indizi di possibili pianeti in orbita attorno ad esse. L’espediente è lo stesso che Euclid sfrutta già per le osservazioni di galassie nell’universo remoto: il lensing gravitazionale, ovvero quel fenomeno previsto dalla relatività generale di Einstein secondo cui i corpi dotati di massa “piegano” lo spaziotempo, deviando la luce che proviene da corpi celesti ancora più distanti. In questo caso, trattandosi di stelle, si parla di microlensing, ovvero la distorsione della luce di una stella più lontana causata dall’allineamento fortuito con una stella più vicina a chi osserva (cioè noi, sulla Terra). L’effetto di lente gravitazionale amplifica la luce della stella più distante; e se a fungere da lente non è semplicemente una stella, ma un sistema planetario, questo segnale presenta un’anomalia che rivela la presenza di uno o più pianeti intorno all’astro.

Si tratta di segnali minuti – il proverbiale “ago nel pagliaio” – eppure all’interno del campo osservato da Euclid sono già stati rilevati, negli ultimi due decenni, quasi ottomila eventi di microlensing, e almeno cinquantuno di essi sono stati causati da sistemi planetari. Ne parliamo con Valerio Bozza, professore di astrofisica all’Università di Salerno e membro dello Euclid Consortium, all’interno del quale si occupa della ricerca di esopianeti in collaborazione con i colleghi francesi dell’Institut d’astrophysique de Paris, nonché autore di alcuni dei principali strumenti computazionali per l’analisi dati e la modellazione di eventi di microlensing usati oggi in tutto il mondo.

Professor Bozza, come mai si è deciso di puntare Euclid, che normalmente studia l’universo su scala molto più grande, verso il rigonfiamento centrale della Via Lattea – detto anche bulge – che rispetto alle distanze sondate dal telescopio spaziale è praticamente dietro casa?

«In realtà Euclid già dagli inizi prevedeva anche la possibilità di svolgere una survey di microlensing verso il bulge. I requisiti tecnici sono molto simili: abbiamo bisogno di grandi campi e alta risoluzione, la stessa cosa che serve sia per cercare galassie lontane nell’universo, sia per cercare di risolvere e seguire le curve di luce di stelle nel bulge della nostra galassia. Poi l’evoluzione di Euclid è stata diversa, ci si è concentrati molto di più sulla parte cosmologica e il microlensing non è stato più uno degli obiettivi principali. Alla fine si è deciso di fare questa survey perché le motivazioni scientifiche erano molto forti, soprattutto con il lancio imminente del satellite Roman della Nasa, che invece ha conservato sin dall’inizio la sua duplice missione, dedicata sia all’universo lontano, sia alla ricerca di esopianeti con il microlensing».

Perché era importante realizzare queste osservazioni con Euclid prima del lancio del Nancy Grace Roman space telescope, previsto a partire dal prossimo 30 agosto?

«Per scoprire eventi di microlensing bisogna monitorare le stesse stelle, gli stessi campi per mesi, in modo che si possano vedere questi eventi che durano dai dieci ai venti giorni, in media. La survey di Euclid, da sola, non può scoprire eventi di microlensing. Ma poiché Roman farà una survey dedicata alla scoperta di pianeti attraverso il microlensing nel bulge della galassia, prima del suo lancio è stato deciso di fare questa foto del centro della galassia con Euclid riprendendo gli stessi campi che osserverà Roman».

«Nel microlensing, come anche in altri metodi di ricerca di esopianeti, c’è una degenerazione: le osservazioni ci consentono di stabilire il rapporto di massa fra pianeta e stella, e la separazione fra pianeta e stella, ma sempre in termini relativi, mai in termini assoluti. Così quando Roman inizierà a trovare i 1200 pianeti che promette di individuare con il microlensing, fornirà informazioni relative, non misure assolute di massa dei pianeti. È proprio qui che viene in aiuto Euclid: andando a cercare le stelle identificate da Roman nelle immagini di Euclid, che a questo punto precedono quelle di Roman di almeno due anni, sarà possibile distinguere la stella che ha fatto da lente, ovvero quella che ospita il sistema planetario, come un oggetto distinto dalla stella sorgente».

Dunque le immagini di Euclid, ottenute a marzo del 2025, permettono ai dati di Roman di fare un salto di qualità nella caratterizzazione degli esopianeti scoperti. Questo non sarebbe possibile, per assurdo, senza la survey di Euclid, ma partendo dai primi dati dello stesso Roman?

«Sì, assolutamente. Quello che fa Euclid è estendere l’asse temporale di Roman all’indietro. Senza Euclid, per poter svolgere questo lavoro dai dati di Roman bisognerebbe aspettare la fine della missione, praticamente tra cinque anni. Invece così già per i primi pianeti trovati da Roman, andando a guardare nelle immagini di Euclid, saremo in grado di risolvere la degenerazione e utilizzare i dati di Roman subito. Oltretutto si osserva in bande diverse, anche questa è un’informazione complementare».

Che tipo di pianeti si possono scoprire con il microlensing?

«Il microlensing è diventato uno dei metodi principali per la ricerca degli esopianeti: ormai ci sono quasi 300 pianeti scoperti in questo modo. Chiaramente con il metodo dei transiti e delle velocità radiali siamo a un ordine di grandezza in più, ma si tratta di pianeti molto diversi. I transiti possono scoprire pianeti vicini alla loro stella, quelli che orbitano a meno di una unità astronomica (la distanza media tra Terra e Sole; ndr). Solo la missione Plato riuscirà finalmente a lambire la zona di abitabilità per stelle di massa solare e quindi arrivare a pianeti simili alla Terra».

«Invece il microlensing è più sensibile a pianeti che si trovano a distanze comprese fra una e dieci unità astronomiche dalla loro stella: una zona molto ampia e complementare a quella esplorata da altri metodi, perché praticamente comincia lì dove finisce la zona di sensibilità dei transiti. Grazie al microlensing potremo esplorare la parte intermedia ed esterna dei sistemi planetari, dove le teorie di formazione planetaria predicono che si forma la maggior parte dei pianeti, in particolare i giganti gassosi e i nettuniani ghiacciati, che sono fuori portata sia per il metodo di transiti che per quello delle velocità radiali».

Pensiamo a una stella simile al Sole, con i pianeti posti esattamente alle stesse distanze di quelli del Sistema solare. Quali pianeti saremmo in grado di scoprire?

«Attualmente l’unico pianeta alla portata del metodo delle velocità radiali è Giove: gli altri rimarrebbero del tutto sconosciuti. Invece con il microlensing, in particolare con Roman, avremmo una sensibilità tale per scoprire tutti i pianeti di questo analogo del Sistema solare, escluso Mercurio. Per valutare quanti analoghi del Sistema solare ci sono nella nostra galassia, il microlensing è il metodo più appropriato. Purtroppo, rispetto agli altri metodi, ha uno svantaggio, perché ogni evento di microlensing è unico irripetibile».

In che senso?

«Una volta finito l’evento di microlensing, è estremamente improbabile che lo stesso sistema planetario vada ad allinearsi con un’altra stella di fondo. E poiché il microlensing si basa su questo allineamento casuale, non c’è la possibilità di osservare lo stesso pianeta di nuovo».

Nemmeno con altri metodi?

«Nulla è impossibile, nel senso che con opportuni mezzi tecnici e aspettando un pochino si può anche provare a ottenere una conferma con altri metodi, però in generale è una cosa che ci aspettiamo di poter fare solo per casi eccezionali. Quando osserviamo il bulge, parliamo di 26mila anni luce da noi: la stella che fa da lente si trova a metà strada, tra 13mila e 20mila anni luce di distanza, quindi si tratta di oggetti molto, molto deboli».

Perché osservate nel bulge?

«Perché è la zona con la più alta densità stellare che conosciamo, quindi ci aspettiamo la più alta probabilità di allineamenti fra stelle. Le stelle all’interno della survey di Euclid sono diverse decine di milioni e quindi la probabilità che si verifichino questi allineamenti è molto elevata».

I risultati preliminari di un suo recente articolo, sottoposto alla rivista Astronomy & Astrophysics e attualmente in corso di revisione, promettono bene…

«Questo articolo raccoglie un catalogo di tutti gli eventi di microlensing storici trovati dalle survey condotte con telescopi a terra negli ultimi 20-25 anni e che si trovano esattamente nella stessa area osservata da Euclid. Ovviamente quello che abbiamo detto per Roman vale anche per gli eventi storici: questi eventi che sono stati osservati anche vent’anni fa hanno un’altissima probabilità di essere risolti nei dati di Euclid, perché ci aspettiamo che la lente e la sorgente siano sufficientemente separate per poterle osservare, oggi, come oggetti risolti. Questo ci consentirà di rivisitare tutti gli eventi storici e poter risolvere le degenerazioni di cui parlavamo prima. In questo lavoro, nel quale sono stato aiutato da Laura Salmeri e Paolo Rota, abbiamo individuato 7.801 eventi di microlensing, tra cui 51 sistemi planetari già pubblicati».

Qual è la differenza tra i 7.801 eventi e i 51 sistemi planetari?

«Nella gran parte di questi eventi, la lente è un oggetto singolo, non si è visto nessun pianeta. Di solito si tratta di una stella, ma a volte anche di altri oggetti come nane bianche, stelle di neutroni o buchi neri. Sono comunque interessanti dal punto di vista statistico, per conoscere meglio la distribuzione delle stelle all’interno della nostra galassia. Poi ci sono anche degli eventi di durata molto breve, che potrebbero essere i famosi free floating planets: pianeti vaganti, senza stella, che hanno riscosso grande interesse negli ultimi tempi».

E tra i 51 sistemi, quali sono i pianeti più particolari?

«Il caso vuole che lì ci siano alcuni oggetti molto interessanti. C’è il primo sistema multiplo, che è stato scoperto proprio con il microlensing: Ogle-2006-Blg-109L. È un sistema planetario con un una stella che ha circa la metà della massa del sole, e due pianeti, uno come Giove e uno come Saturno, a distanze che sono la metà di quelle che troviamo nel Sistema solare. C’è un sistema circumbinario, cioè un pianeta che orbita intorno a un sistema binario di stelle. E poi c’è anche un pianeta relativamente piccolo, con una massa pari a 5,5 masse terrestri, però a distanza di 2,5 unità astronomiche dalla sua stella, che quindi dovrebbe essere un pianeta ghiacciato».

«Riuscire a riesaminare questi eventi ci permetterà di misurare le masse dei pianeti con grandissima precisione. In più ci sono tanti altri eventi in cui conosciamo solo il rapporto di massa, quindi non sappiamo bene se i pianeti sono delle superterre, dei mini-nettuni… insomma, non sappiamo bene come classificarli e proprio per questo i dati di Euclid saranno essenziali per fissare molto meglio la massa di questi pianeti».

Che tipo di sinergie ci saranno con altre missioni dedicate agli esopianeti, come Plato?

«L’Agenzia spaziale europea ha messo in campo tante missioni, tra cui Plato che osserverà pianeti transitanti, oggetti che sono vicini alla loro stella, fino a distanze di un’unità astronomica. A fine anno ci sarà la prossima data release di Gaia e anche lì ci saranno tanti nuovi esopianeti scoperti con il metodo astrometrico: pianeti di tipo gioviano, con distanze fino a diverse unità astronomiche dalla loro stella, ma tutti piuttosto massicci. Quello che mancava all’Esa era proprio ampliare le ricerche nell’angolo dello spazio dei parametri dedicato ai pianeti più lontani e più piccoli. Euclid va a riempire questo gap, che altrimenti sarebbe stato occupato solo dalla Nasa con la missione Roman. Si apre un anno di grandi novità per gli esopianeti. Estenderemo le nostre conoscenze a tutto campo, dai pianeti più vicini a quelli più lontani dalla loro stella: aspettiamoci una vera e propria rivoluzione».

Sono previste altre occasioni per ripetere queste osservazioni con Euclid?

«Il sogno sarebbe quello di una survey simultanea con Roman. Quando Roman comincerà a prendere dati, avremo un’osservazione di ogni stella ogni 12 minuti, in blocchi di 72 giorni consecutivi dedicati al microlensing. In tutto, ci saranno sei blocchi da 72 giorni consecutivi. Se anche Euclid riuscisse a osservare questi stessi eventi, in particolare quelli molto corti, allora potremo avere dati simultanei da due satelliti diversi, il che consentirebbe di avere una misura della parallasse di queste lenti. Potremmo controllare praticamente in diretta se questi eventi sono dovuti a free floating planets e misurarne distanza e massa: un’opportunità unica. All’interno del consorzio di Euclid ci sono chiaramente tante sensibilità, però speriamo che prima della fine della missione di Roman questa opportunità possa essere colta».

Per saperne di più:

• Leggi su Arxiv il preprint dell’articolo “Historic microlensing events in the Euclid Galactic Bulge Survey” di V. Bozza, L. Salmeri, P. Rota, E. Bachelet, J.-P. Beaulieu, A.A. Cole, J.C. Cuillandre, E. Kerins, I. Mcdonald, P. Mróz, M. Penny, C. Ranc, N. Rektsini, E. Thygesen, H. Verma; The Ogle collaboration: A. Udalski, R. Poleski, J. Skowron, M. K. Szymański, I. Soszyński, P. Pietrukowicz, S. Kozłowski, K. Ulaczyk, K.A. Rybicki, P. Iwanek, M. Wrona, M. Gromadzki, M.J. Mróz; The Moa collaboration: F. Abe, D.P. Bennett, A. Bhattacharya, I.A. Bond, R. Hamada, Y. Hirao, A. Idei, S. Ishitani Silva, S. Miyazaki, Y. Muraki, T. Nagai, K. Nunota, G. Olmschenk, N.J. Rattenbury, Y.K. Satoh, T. Sumi, D. Suzuki, T. Tamaoki, S.K. Terry, P.J. Tristram, A. Vandorou, H. Yama
• Leggi il comunicato stampa della Quick Data Release 2