Se guardiamo al Sistema Solare, una delle principali caratteristiche di quasi tutti i pianeti che compongono la corte del Sole è la presenza di satelliti naturali, altrimenti detti lune. Esclusi Mercurio e Venere infatti, tutti i pianeti ne posseggono; soltanto una e due, rispettivamente per la Terra e Marte, decine per i pianeti gassosi.
Questi ultimi sono anche caratterizzati da un sistema di anelli, particolarmente complesso e spettacolare nel caso di Saturno, meno visibile ed elaborato - ma ancora presente - nel caso di Giove, Urano e Nettuno. Addirittura, di recente, si è scoperto un sistema di anelli attorno a un asteroide.
Estrapolando ciò che conosciamo per il nostro Sistema Solare, sembrerebbe quindi che la presenza di satelliti e anelli sia tutto sommato abbastanza comune. Eppure, nonostante le migliaia di esopianeti scoperti a partire dalla metà degli anni '90 ad oggi, non è stato possibile trovare finora esolune o esoanelli.
Viene naturale allora chiedersi: dove sono tutti?
In una recente pubblicazione su arXiv (un sito gestito dalla Cornell University Library in cui vengono pubblicati i cosiddetti preprint, cioè quei lavori ancora non pubblicati su riviste scientifiche e che vengono così sottoposti al vaglio della comunità), viene affrontato proprio questo problema.
Senz'altro sarebbe ingenuo pensare che il Sistema Solare costituisca un caso particolare; piuttosto, con ogni probabilità, la difficoltà nel rilevare questi oggetti sta nel fatto che sono estremamente piccoli e deboli, e gli strumenti e le tecniche oggi utilizzati non ancora sufficienti a identificarli.
Tuttavia gli astrofisici ne stanno discutendo, e già esiste una serie di tecniche che potrebbero essere utilizzate allo scopo, oltre che una serie di candidati. Il problema è che al momento le misure effettuate sono così incerte che non è possibile distinguere se si tratti effettivamente di sistemi di lune o di anelli (a volte confondendo addirittura tra essi stessi), oppure altri oggetti come pianeti e nane brune.
Esolune
Cerchiamo comunque di analizzare più in dettaglio come si potrebbe fare ad avere successo in questa sorta di caccia al tesoro, partendo dalle esolune. Innanzi tutto, c'è un primo punto di vista abbastanza ottimistico, in cui si tiene conto del fatto che una ricerca intensiva e organica di satelliti non è mai stata effettuata, se si escludono poche dozzine di casi, come quello del progetto Hunt for Exomoons with Kepler (HEK), che tuttavia non ha prodotto risultati concreti. Non abbastanza da avere un buon campione statistico su cui lavorare.
Per questo motivo, osservazioni "rivelatrici" potrebbero già essere contenute nei dati a nostra disposizione, prevalentemente delle missioni Kepler, HST (Hubble Space Telescope) e COROT (COnvection ROtation and planetary Transits). Un'analisi attenta e dettagliata potrebbe portare a delle sorprese.
Volendo essere più pessimisti c'è da dire che la precisione di questi strumenti potrebbe non essere ufficiente ad ottenere un rapporto segnale-rumore abbastanza alto da discriminare la presenza di lune. Tuttavia gli astronomi stanno lavorando a qualche trucco per aggirare il problema.
L'idea di base è quella di sfruttare la tecnica del transito, identificando le minuscole perturbazioni che la presenza di lune potrebbe generare nella curva di luce della stella (ovvero la funzione che descrive come varia nel tempo la luminosità dell'astro). Perturbazione che peraltro dovrebbe mostrare un profilo ben preciso a seconda del punto dell'orbita in cui il satellite venga a trovarsi al momento del transito, e del senso di rotazione.
In particolare, si pensa di poter sfruttare una tecnica definita Orbital Sampling Effects (OSE - in italiano suonerebbe come effetti di campionamento orbitale), per la quale l'effetto sulla curva di luce sarebbe maggiore quando la luna si trova "ai bordi" dell'orbita, e considerando un gran numero di transiti, sommati tra loro, dovrebbe essere possibile identificare il satellite.
Altre tecniche prevedono: l'utilizzo della spettroscopia Doppler sul pianeta stesso, cioè la misura del redshift e blueshift delle righe spettrali a causa della rotazione del satellite; oppure del microlensing, in cui si tenta, secondo le previsioni della Relatività Generale, di identificare oggetti in base alla distorsione della luce proveniente da un altro corpo posto alle sue spalle (che altrimenti risulterebbe invisibile), e per il quale il primo funge da lente gravitazionale. Tuttavia, al momento è estremamente difficile, con i dati e gli strumenti attuali, pensare a un'applicazione concreta di queste tecniche, che possa fornire risultati credibili.
Ovviamente sarebbe più semplice trovare satelliti molto grandi, di dimensioni paragonabili alla Terra per intenderci, attorno a pianeti giganti. Anche in questo caso però occorre fare attenzione, perché molti di questi pianeti sono stati trovati su orbite estremamente ristrette, e in questo caso le perturbazioni gravitazionali dovute alla vicinanza della stella potrebbero perturbare l'orbita della luna, rendendola instabile. Il rischio dunque è che la luna possa essere espulsa dal sistema.
Infine, in futuro si pensa che un'imaging diretto potrebbe diventare possibile, grazie all'acutezza visiva di nuovi strumenti quali il James Webb o l'E-ELT sfruttando, come già avviene attualmente, la tecnica del mascheramento della stella.
Esoanelli
Nel caso degli anelli invece il problema è ancora più complesso, perché la loro presenza può ugualmente perturbare la curva di luce, ma non sarebbero presenti gli effetti dinamici dovuti al movimento orbitale di un eventuale satellite. Questo perché il profilo di un sistema di anelli rimane lo stesso comunque lo si guardi.
Un effetto che potrebbe in qualche modo venire in aiuto degli astronomi è quello dovuto alla diffrazione della luce della stella dovuto al transito di un pianeta dotato di un sistema di anelli. Infatti, questi ultimi dovrebbero essere in grado di deviare i raggi luminosi provenienti dall'astro durante il transito, per cui non si avrebbe solo un oscuramento nella curva di luce, ma anche una temporanea accentuazione della luminosità.
Un aspetto estremamente interessante è dato dal possibile orientamento dei sistemi di esoanelli. Nel caso del Sistema Solare infatti, essi sono allineati all'equatore del pianeta, ma se un esopianeta presentasse un'orbita molto stretta, l'effetto delle forze mareali potrebbe far sì che il sistema di anelli esterni si allinei al piano dell'orbita. L'anello interno tuttavia rimarrebbe allineato al piano equatoriale.
Nel caso però di un pianeta con un asse di rotazione molto inclinato (come ad esempio Urano), si otterrebbe un doppio sistema di anelli con differente inclinazione. Uno scenario francamente magnifico a vedersi!
L'interesse per questi sistemi sta principalmente in due aspetti. Il primo è che tramite l'osservazione di lune e anelli sarebbe possibile capire molto di più circa i processi di formazione ed evoluzione dei relativi esopianeti, cosa attualmente impossibile con le tecniche e i dati attuali.
In secondo luogo, sono al vaglio studi riguardo la possibilità che alcune esolune potrebbero rivelarsi abitabili. Se infatti la stella d'origine e il pianeta rispettano determinate caratteristiche, sarebbe possibile definire una "zona abitabile" anche per i pianeti stessi. Considerazioni di questo tipo, ovviamente, farebbero aumentare in modo esponenziale la possibilità di trovare nell'Universo luoghi in grado di sostenere lo sviluppo della vita.
Come al solito, per avere risposte più certe dovremo attendere ancora qualche anno, e confidare nel fatto che la nuova generazione di strumenti, sia terrestri che spaziali, possa aiutarci a far luce su un campo di ricerca che è davvero ancora agli albori.
Antonio D'Isanto è dottorando in astronomia presso l'Heidelberg Institute for Theoretical Studies in Germania. La sua attività di ricerca si basa sulla cosiddetta astroinformatica, ovvero l'applicazione di tecnologie e metodologie informatiche per la risoluzione di problemi complessi nel campo della ricerca astrofisica. Si occupa inoltre di reti neurali, deep learning e tecnologie di intelligenza artificiale ed ha un forte interesse per la divulgazione scientifica. Da sempre appassionato di sport, è cintura nera 2°dan di Taekwondo, oltre che di lettura, cinema e tecnologia. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom's Hardware per la produzione di contenuti scientifici.