Astronomi cercano pianeti attorno alle pulsar

Un team di astronomi sta cercando esopianeti attorno a 800 pulsar conosciute, basandosi sull'analisi dei dati esistenti sulle pulsar presso il Jodrell Bank Center. I loro studi che hanno già rivelato sorprese, serviranno a capire meglio i meccanismi di formazione planetaria.

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a cura di Alessandro Crea

Gli astronomi hanno scoperto i primi esopianeti nel 1992. Ne hanno trovati una coppia in orbita attorno alla pulsar PSR B1257+12 a circa 2.300 anni luce dal Sole. Due anni dopo hanno scoperto il terzo pianeta del sistema. Ora un team di astronomi sta cercando esopianeti attorno a 800 pulsar conosciute.

Il team di astronomi proviene dal Jodrell Bank Center for Astrophysics dell'Università di Manchester. Jodrell Bank ha un gruppo che lavora sulle Pulsar e sull'astrofisica del dominio del tempo. Le pulsar sono oggetti di interesse per una serie di motivi diversi e Jodrell Bank monitora 800 pulsar come parte del loro lavoro.

Il team sta presentando i risultati in un documento intitolato "Una ricerca di compagni planetari intorno a 800 pulsar dal programma di cronometraggio delle pulsar Jodrell Bank". Il primo autore dell'articolo è Iuliana Niţu e l'articolo sarà pubblicato negli avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Jocelyn Bell Burnell, astrofisica dell'Irlanda del Nord, scoprì la prima pulsar nel 1967. Ci è voluto un po' di tempo perché lei e un altro astrofisico capissero cosa fossero. C'era la solita speculazione sulle fonti aliene, ma una volta scoperte e studiate altre pulsar, divenne chiaro che erano oggetti naturali.

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che sono altamente magnetizzate ed emettono fasci di radiazione elettromagnetica dai loro poli. Quando uno dei poli è puntato verso la Terra, possiamo vederlo, un po' come un faro. Le pulsar sono note per emettere in radio, luce visibile, raggi X e persino raggi gamma. Quando una pulsar ruota, il fascio è visibile e quindi invisibile a intervalli di diversi millisecondi. Gli intervalli sono molto precisi, più precisi di un orologio atomico, e questo rende le pulsar strumenti utili per gli astronomi.

I loro intervalli precisi li rendono ideali per la ricerca di pianeti intorno a loro. Anche una leggera variazione nei loro tempi significa che la pulsar si muove avanti e indietro. Ciò significa che uno o più pianeti potrebbero tirarlo. La ricerca di esopianeti attorno alle pulsar è chiamata metodo di temporizzazione delle pulsar.

Il metodo di transito è il metodo più comune di ricerca di esopianeti. Ciò comporta guardare la luce da una stella e cercare cali regolari nella sua luce. Un calo nella luce stellare potrebbe segnalare la presenza di un pianeta che transita davanti alla stella, e se il calo viene ripetuto regolarmente, è la prova di un'orbita. Gli scienziati trovano la maggior parte degli esopianeti con questo metodo, anche se le misurazioni di follow-up con altri metodi sono spesso utilizzate per aiutare a confermare la presenza di un pianeta.

Un problema con il metodo di transito è il suo intrinseco pregiudizio di selezione. È molto più facile rilevare pianeti di grandi dimensioni perché bloccano più luce stellare. È anche più facile trovare pianeti che orbitano vicino alle loro stelle perché orbitano più rapidamente e causano cali nella luce stellare più frequentemente.

Ma il tempismo delle pulsar è diverso. Poiché la temporizzazione delle pulsar è così precisa, anche i piccoli pianeti possono attirare pulsar abbastanza da segnalare la loro presenza. I pianeti rilevati intorno a PSR B1257 + 12 nei primi anni 1990 erano più piccoli della maggior parte degli esopianeti trovati con il metodo di transito. Il più piccolo dei tre era solo 0,002 masse terrestri. A partire dal 2019, il più piccolo esopianeta mai trovato con il metodo di transito era l'80% delle dimensioni della Terra.

Questo nuovo sforzo per trovare esopianeti intorno a 800 pulsar è diverso da altri sforzi di caccia ai pianeti. Questo sforzo non è un nuovo sondaggio o un programma di monitoraggio. Invece, si basa sulla ricerca dei dati esistenti sulle pulsar presso il Jodrell Bank Center. "Il set di dati utilizzato in questo lavoro è composto da osservazioni di circa 800 pulsar dal database di temporizzazione delle pulsar Jodrell Bank", spiegano gli autori.

Ma qual è la probabilità di trovare più esopianeti intorno alle pulsar? Le pulsar sono oggetti estremi con lunghe storie punteggiate da catastrofi episodiche. "L'apparente rarità di sistemi come quello di PSR B1257 + 12 potrebbe essere una conseguenza delle condizioni estreme in cui si formano le pulsar", scrivono gli autori.

Le pulsar sono stelle di neutroni e le stelle di neutroni hanno origini calamitose. Iniziano come stelle massicce tra circa 10 e 25 masse solari. Alla fine della loro vita di fusione regolare, queste stelle esplodono come supernove e poi collassano in stelle di neutroni ultra-dense fatte di materia degenerata da neutroni. È altamente improbabile che qualsiasi pianeta possa sopravvivere a tutto questo.

I pianeti potrebbero formarsi dopo la supernova? Forse. Gli autori spiegano uno scenario fattibile in cui un pianeta si forma attorno a una coppia binaria di stelle e poi viene catturato dalla stella di neutroni dopo una collisione tra le due stelle. Il pianeta potrebbe anche essere "... sopravvissuto alla successiva evoluzione del sistema iniziale verso un sistema stellare di neutroni".

"Il sistema risultante consisterebbe in una normale pulsar con compagni planetari in orbite eccentriche", scrivono, anche se questi tipi di pianeti sarebbero molto rari. Un secondo scenario potrebbe essere più probabile. In questo caso, la supernova espelle un'enorme quantità di materiale quando esplode, facendolo esplodere nello spazio ad alta velocità. Ma parte del materiale potrebbe non sfuggire alla gravità della stella di neutroni rimanente. Invece di disperdersi, formerebbe un disco protoplanetario e i pianeti si formerebbero attraverso l'accrescimento. In questo caso, "... ci si aspetta una pulsar normale, circondata da pianeti di massa relativamente piccola in orbite circolari", spiegano gli autori.

È possibile anche un terzo scenario. In questo caso, un pianeta sarebbe in realtà un residuo di una stella di neutroni in una coppia binaria di stelle di neutroni. Una delle stelle di neutroni interrompe l'altra o fa evaporare parzialmente l'altra. Il nucleo rimanente diverrebbe così un pianeta, fatto quasi interamente di diamanti.

Queste sono solo tre delle possibilità di formazione dei pianeti intorno alle pulsar. Una delle motivazioni alla base della ricerca di più pianeti pulsar è quella di restringere queste possibilità in un quadro meglio compreso. "Nel complesso, ci sono un gran numero di percorsi di formazione proposti di pianeti attorno alle pulsar, e quindi le ricerche su larga scala di compagni di massa planetaria e dei loro parametri orbitali sono cruciali per limitare e determinare la fattibilità di vari modelli", spiegano gli autori.

Nonostante la precisione della temporizzazione delle pulsar, ci sono ancora alcuni problemi. Un tipo di rumore può insinuarsi nelle misurazioni. "... la rilevabilità dei pianeti attorno alle pulsar è limitata anche dalla presenza del cosiddetto "rumore di temporizzazione" che si manifesta come un processo di rumore rosso a lungo termine nella rotazione della pulsar. Ciò rappresenta un'ulteriore sfida nella ricerca di compagni planetari, in quanto non solo può mascherare le firme binarie, ma anche imitarle", scrivono gli autori.

Prima che il team potesse ottenere i risultati, ha dovuto modellare l'effetto che un pianeta ha su una pulsar. "Quando una pulsar fa parte di un sistema binario (con una stella o un pianeta), ruota attorno al centro di massa del sistema, muovendosi rispetto all'osservatore sulla Terra", spiegano. Questo movimento crea un leggero ritardo nel segnale che raggiunge la Terra. Tale ritardo è chiamato ritardo di Rømer.

Il team di ricercatori ha utilizzato questi fattori e molti altri per sviluppare il loro metodo analitico. Ci sono limiti necessari in lavori come questo, e il più importante riguarda le masse di esopianeti. "Abbiamo posto limiti alle masse proiettate di qualsiasi compagno planetario, che raggiunge un minimo di 1/100 della massa della luna (circa 10-4 Masse terrestri)." Anche se questo è un limite, è un pianeta straordinariamente piccolo da poter rilevare.

"Abbiamo scoperto che è altamente improbabile che due terzi delle nostre pulsar ospitino compagni di massa superiore a 2 ~ 8 masse terrestri", afferma il team. "I nostri risultati implicano che meno dello 0,5% delle pulsar potrebbe ospitare pianeti terrestri grandi quanto quelli noti per orbitare attorno a PSR B1257 + 12 (circa 4 masse terrestri)". PSR B1257+12 è la prima pulsar attorno alla quale sono stati trovati pianeti nel 1992. Serve come una sorta di punto di riferimento per i sistemi di pianeti pulsar.

C'è almeno un avvertimento a questi risultati però, e riguarda i pianeti di piccola massa. "... tuttavia, il pianeta più piccolo in questo sistema (circa 0,02 masse terrestri) non sarebbe rilevabile nel 95% del nostro campione, nascosto da processi di rumore sia strumentali che intrinseci ..." Il team sottolinea anche che non è chiaro se piccoli pianeti come questo potrebbero esistere isolati.

15 delle pulsar nel campione mostravano alcune irregolarità, ma non erano necessariamente pianeti. Il team spiega che la grave magnetosfera intorno alle pulsar può causare periodicità irregolari. "Abbiamo rilevato periodicità significative in 15 pulsar, tuttavia, abbiamo scoperto che gli effetti magnetosferici quasi periodici intrinseci possono imitare l'influenza di un pianeta e, per la maggior parte di questi casi, riteniamo che questa sia l'origine della periodicità rilevata".

Nella loro analisi finale, sembra che i pianeti pulsar siano molto rari. Solo una singola pulsar tra le 800 è un probabile candidato per ospitare pianeti. "Crediamo che il candidato più plausibile per i compagni planetari nel nostro campione sia PSR J2007 + 3120".

PSR J2007+3120 potrebbe ospitare una coppia di pianeti. Le prove per il secondo pianeta non sono così forti e potrebbero essere solo rumore, ma non sono in grado di escludere una popolazione di pianeti molto più piccoli. Alcuni di questi pianeti potrebbero essere nascosti nel rumore. "Noi, quindi, confermiamo l'ipotesi che la formazione di pianeti attorno alle pulsar sia rara, e PSR B1257+12 è un caso speciale", concludono. Per ora, rimane l'unica pulsar ad ospitare pianeti delle dimensioni della Terra conosciuto.

Per quanto riguarda l'abitabilità, è estremamente improbabile. La regione intorno alle pulsar è estremamente dura. Potenti campi magnetici potrebbero devastare qualsiasi pianeta nelle vicinanze. E le pulsar sono stelle di neutroni, quindi non c'è fusione in corso. Sono poco più che cenere, anche se possono ancora essere estremamente caldi.

Alcuni dei pianeti che si trovano intorno alle pulsar non sono altro che i resti esplosi della compagna stellare di una pulsar e possono essere fatti di diamante puro. Altri sono oggetti catturati. Ma questo studio non ha mai riguardato l'abitabilità. Ha lo scopo di sondare alcuni degli oggetti più insoliti dell'Universo.