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18/10/14

Urano, l’effetto lente inverso e la più "precisa" galassia lontana**

Il presente articolo è stato inserito nella pagina di approfondimento dedicata all'effetto lente gravitazionale

 

Approfitto di una recente scoperta per richiamare l’effetto denominato “microlensing”. Si basa essenzialmente sull’effetto lente che ben conosciamo e che permette di rivelare galassie lontanissime, quando hanno la fortuna di trovarsi dietro a un’altra galassia che fa da lente di ingrandimento. La luce dell’oggetto più lontano, altrimenti invisibile, viene deformata e ingigantita. Quante volte ne abbiamo parlato? Penso sia proprio inutile descrivere ancora una volta una delle grandi previsioni di Einstein, rivelatasi esatta.

Basta la semplice Fig.1 per mostrarlo in modo esauriente. La galassia G si trova esattamente tra il quasar Q e la Terra T. La luce del quasar dovrebbe essere “bloccata” dalla galassia che la nasconde, ma la gravità di G la piega e le permette di raggiungere la Terra, con intensità nettamente maggiore di quella effettiva. La galassia G ha fatto da lente e intorno a lei si vede l’immagine deformata (Q') del quasar Q. Spesso le immagini sono più di una, a seconda dell'allineamento più o meno preciso.

Figura 1
Figura 1

Sì, avete ragione… sembra proprio che Urano non abbia niente a che vedere con questo tipico problema dei grandi “giganti” del Cosmo. E, invece, anche le formiche nel loro piccolo si… arrabbiano (il titolo era lievemente diverso…).

Una lente invisibile

Immaginiamo che la parte del quasar Q la faccia una stella normale, meglio se abbastanza lontana da noi. L’importante è però che sia visibile, proprio il contrario di quanto succedeva precedentemente. A questo punto non resta che aspettare che un qualche oggetto celeste (di qualsiasi tipo sia) passi davanti alla stella. Non è poi così difficile nella nostra galassia con tutto il traffico che c’è.

Questa volta noi NON vediamo l’oggetto che le passa davanti, dato che è troppo debole, tuttavia, per piccolo che sia, riesce a comportarsi come lente per la stella lontana. Improvvisamente, quest’ultima sembra accendersi per poi spegnersi velocemente. Chi ci garantisce che non sia un suo colpo di tosse? Beh… la durata e altre caratteristiche del picco luminoso. Fatto sta che la lente gravitazionale ha svolto un ruolo invertito: l’oggetto lontano si vede, mentre non si vede quello vicino. Tuttavia, l’aumento di luce della stella visibile fa capire che qualche cosa di invisibile le è passato davanti. Probabilmente, è solo una stellina.

Le cose, però, sono estremamente interessanti e da seguire attentamente. Una stella ha spesso e volentieri dei pianeti. Se essi sono molto vicini fanno un tutt’uno con la stellina, ma, se si trovano abbastanza lontani, anche loro possono nascondere la stella e farle avere un picco di luminosità del tutto inaspettato. Pianeti non eccessivamente piccoli, ma piuttosto lontani. Proprio quelli che le tecniche dei transiti o spettroscopiche non riescono a scoprire. Infatti, se un pianeta è distante dalla sua stella  è difficile che passi prospetticamente davanti a lei o, se lo potesse anche fare, ci vorrebbe chissà quanto tempo (il periodo sarebbe lunghissimo). Analogamente viaggerebbe talmente piano che anche le migliori tecniche spettroscopiche fallirebbero. Per loro, non c’è, per adesso, che sperare nel colpo di fortuna dell’effetto lente… al contrario, il fenomeno chiamato “microlensing”.

In Fig. 2 vediamo proprio ciò che può succedere a una sorgente lontana visibile e a una stellina invisibile che le passa davanti insieme al suo “figliolo”. Due picchi luminosi che, studiati a fondo, danno un mucchio di informazioni sulla distanza tra stella e pianeta, sulle loro masse e molte altre cose. Ma ne parliamo dopo…

Fig. 2. Le varie fasi che portano alla scoperta del pianeta. In (1) la sorgente lontana non subisce effetto lente da parte della stella vicina. In (2) la sorgente aumenta la sua luminosità per effetto lente, ma a questa si aggiunge il contributo (misurabile) del pianeta. In (3) e (4) l’effetto lente è dovuto solo alla stella vicina. In (5) l’effetto lente finisce
Fig. 2. Le varie fasi che portano alla scoperta del pianeta. In (1) la sorgente lontana non subisce effetto lente da parte della stella vicina. In (2) la sorgente aumenta la sua luminosità per effetto lente, ma a questa si aggiunge il contributo (misurabile) del pianeta. In (3) e (4) l’effetto lente è dovuto solo alla stella vicina. In (5) l’effetto lente finisce

Sì, ci vuole molto fortuna e perseveranza, ma i risultati ogni tanto ci sono e anche molto interessanti.

A questo punto, Urano e Nettuno acquistano una rilevanza ben diversa. Parliamo un po’ di loro…

Urano e Nettuno: né carne né pesce, ma...

I pianeti del Sistema Solare si dividono essenzialmente in tre gruppi: piccoli e rocciosi; massicci e gassosi; intermedi ghiacciati-gassosi. Questi gruppi non differiscono solo per la massa, ma anche per la posizione che occupano nella geografia del Sistema Solare. Quelli piccoli e rocciosi stanno all’interno della cosiddetta linea della neve, ossia di quel limite ipotetico oltre il quale molti composti condensano in ghiaccio, in modo da formare mattoni ben più numerosi ed efficienti per la costruzione dei pianeti. Da noi, questa linea si trova a circa 2.7 UA, proprio in mezzo alla fascia degli asteroidi. Ovviamente, la linea si porta verso l’esterno per stelle di massa maggiore.

I giganti gassosi stanno poco oltre la linea della neve: Giove è 1.9 volte più lontano e Saturno 3.5. Gli intermedi, dove il ghiaccio la fa da padrone, sono ben più distanti: 7 volte Urano e 11 Nettuno. Purtroppo, questo è l’unico caso completo di sistema stellare che conosciamo.  Se i piccolo rocciosi e i giganti gassosi potrebbero anche essersi formati dove stanno adesso, lo stesso non è possibile per Urano e Nettuno: il disco protoplanetario originario non aveva abbastanza materiale per costruirli nel luogo attuale. Devono avere quasi sicuramente migrato verso l’esterno.

Vari fattori sembrano confermare questa ipotesi, indicando la loro culla molto più vicina a Giove e a Saturno. In qualche modo dobbiamo capire come si sono spostati e perché. In altre parole, pianeti di media grandezza e ghiacciati come Urano e Nettuno sono una delle chiavi fondamentali per comprendere appieno la formazione dinamica del Sistema Solare e -forse- di molti altri sistemi stellari. Probabilmente, molto di più che i pianeti terrestri e/o i giganti più o meno caldi (il trasporto verso l’interno è decisamente più facile da spiegare).

Purtroppo, come già detto, Kepler ha trovato tanti pianeti di tipo roccioso, soprattutto un po’ più grandi della Terra, nelle zone interne. Idem ha fatto per i Giove caldi. Altri Giove e Saturno sono stati scoperti con il metodo spettroscopico e quattro di loro poco al di là della linea della neve.  Entrambe le tecniche, però, hanno fallito nel trovare i giganti ghiacciati come Urano e Nettuno. Non c’è da stupirsi: i loro periodi sono ben più lunghi della vita umana. Si potrebbe tentare con una visione diretta (sono abbastanza lontani dalla stella), ma -per adesso- non si è riusciti a scendere sotto  certi limiti di massa e ci si imbatte in giganti gassosi caldi. Niente a che vedere con Urano e Nettuno…

Insomma, l’unico metodo correntemente utilizzabile per pianeti intermedi si basa sulla tecnica del microlensing gravitazionale. Il problema è che non vi sono fenomeni periodici da studiare (come nei transiti o nelle curve spettroscopiche), ma bisogna affidarsi solo alla fortuna.

E così è successo recentemente: la tecnica del microlensing ha scoperto il primo vero gemello di Urano. In realtà è un po’ più grande (4 volte) ma si trova proprio in un’orbita simile al nostro settimo pianeta. Si può, perciò, ragionevolmente pensare che abbia avuto una evoluzione dinamica simile al nostro gigante ghiacciato: anche lui non dovrebbe trovarsi a quella distanza.

Veniamo, allora, alla scoperta. Il nostro Urano-bis si dovrebbe trovare a 25 000 anni luce da noi.

Non si può stabilire con certezza la vita di questo pianeta, probabilmente anch’esso azzurro a causa del metano ghiacciato, ma è facile che  abbia avuto avventure simili a Urano. Sicuramente non vive in una zona tranquilla.

Nel caso dei nostri gemelli azzurri, la causa del loro allontanamento deve, forse, cercarsi direttamente nelle perturbazioni causate da Giove e Saturno (attraverso varie risonanze e faccende simili). Per il nuovo arrivato la causa è, invece, probabilmente la stellina compagna del suo Sole. Esso infatti vive in un sistema doppio abbastanza stretto e la sua esistenza deve aver subito (e chissà se la subirà ancora) la presenza della invadente compagna. La primaria, la mamma di Urano-bis, ha una massa pari a 2/3 di quella del Sole, mentre la compagna è veramente piccola: solo 1/6 della nostra stella. Tuttavia, più che sufficiente se pensiamo che Saturno e Giove possono aver dato uno "schiaffo" analogo ai nostri giganti ghiacciati.

Urano-bis

Le osservazioni, veramente fortunate, sono state effettuate in due periodi. Nel 2008 si sono rilevati la stella maggiore e il suo Urano-bis. Nel 2010 è stata confermata la presenza del pianeta e si è aggiunta la stellina rompiscatole. Il fenomeno del microlensing regala un mucchio di informazioni e, con qualche ulteriore approccio statistico e probabilistico, si è arrivati a stabilire abbastanza bene la geometria e le masse del sistema binario, pianeta uraniano compreso. Tutto ciò è stato possibile perché la direzione del moto del sistema era proprio quella giusto per occultare la stella lontana. Se la direzione fosse stata anche di poco diversa, si sarebbe -magari- solo “trovato” il pianeta e si sarebbe detto che era un vagabondo isolato (a volte rimangono dubbi, come in questo caso QUI).

Le osservazioni del 2008, in cui si sono rilevati il pianeta a sinistra e la sua stella a destra. Fonte: Radoslaw Poleski et al., The Astrophysical Journal, 2014; 795
Le osservazioni del 2008, in cui si sono rilevati il pianeta a sinistra e la sua stella a destra. Fonte: Radoslaw Poleski et al., The Astrophysical Journal, 2014; 795

Concludiamo, dicendo che questo tipo di ricerca è tutto fuorché povera di risultati. Vi sono ben 13 000 fenomeni di microlensing in archivio, la maggior parte dei quali deve ancora essere investigata. Quasi tutte saranno stelle singole, ma la speranza di trovare altri pianeti azzurri esiste sicuramente.

Articolo originale QUI. Il lavoro spiega piuttosto bene tutte le strategie utilizzate per arrivare alla conferma del sistema doppio e alla sua distanza approssimata. Non è complicatissimo, ma va oltre lo scopo del nostro BLOG GLOB.

 

NEWS del 20/2/2018 - Il nostro amico Domenico Licchelli scopre una super-Terra grazie al microlensing

10 commenti

  1. foscoul

    Fantastico articolo Enzo davvero mette tanta carne sul fuoco l'ho letto al volo in un internet point qui in città e appena rientro me lo rileggo con calma devo dire che l'argomento mi ha suscitato molto interesse e spero che ci terrai aggiornati sugli sviluppi delle ricerche davvero le intuizioni del grande Einstein ci danno gli occhiali con le lenti giuste per poter scrutare il cielo profondo susate ma sono eccitato :-D

  2. grazie Foscoul,
    se cerchi in archivio troverai vari articoli sull'effetto lente... :wink:

  3. Mario Fiori

    Bellissimo articolo Enzo. Ora dico uno sfondone: se possiamo individuare così de "gemelli" di Urano e Nettuno, di conseguenza trovandoli e studiando i loro moti, possiamo anche trovare dei "gemelli" di Giove e Saturno magari sfuggiti in altro modo? Mah , forse stò perdendo il capo.

  4. Caro Mario,
    i Giove e Saturno scappati verso l'esterno sarebbero una bella scoperta non facile da spiegare (chi gli dà la botta? solo una stella e quindi sono possibili nei sistemi doppi o multipli). Spiegare Giove e Saturno molto più vicini, invece è un gioco da bambini...

  5. Michael

    Articolo molto molto interessante. Fa specie pensare alla luce che ha viaggiato per ben 13 miliardi di anni prima di arrivare qui, proprio qui da noi, per farsi studiare. :-o
    Parlando del Pianeta uraniano (o nettuniano?) accennavi al fatto che, se ci fosse stata una minima variazione nella direzione di moto del sistema, avrebbero bollato il Pianeta come "Vagabondo". Questo non può significare che, forse, moltissimi degli Esopianeti ritenuti Vagabondi, possano in realtà avere la loro mamma da qualche parte e che noi semplicemente non riusciamo a trovarla?

  6. caro Michael,
    la luce di quella galassia è andata ovunque in giro per il cosmo. Noi abbiamo avuto la fortuna di avere un ammasso-lente proprio lungo la linea di vista. In realtà, non è fortuna, dato che si scrutano gli ammassi proprio per vedere cosa ci sta dietro... Pensa a un vero e proprio telescopio gigantesco che ha la lente fissa. Possiamo studiare solo quello che è puntato dallo strumento Hubble + lente.
    La cosa è simile nel microlensing. Lì, però, non vediamo la lente e quindi dobbiamo sperare che ne salti fuori qualcuna che sia utile per quello che va a occultare. Ovviamente, fortuna perché qualcosa ci passi davanti, ma anche fortuna che il sistema stellare si muova in modo che tutti i suoi abitanti riescano a occultare la stella lontana. Molte volte passerà davanti solo la stella, altre volte solo un pianeta. Teniamo, però conto, che anche un passaggio "quasi" frontale dà comunque una certa botta alla stella lontana.
    Come dici tu, se la stella non si riesce a vedere e non passa davanti nemmeno di striscio si può concludere che il pianeta è vagabondo. E' un rischio che si corre con una tecnica del genere. Tuttavia, se venisse scoperto un pianeta vagabondo si potrebbe sempre usare un telescopio più potente per guardare cosa c'è intorno a lui. Ricordiamo che per il microlensing non c'è bisogno di strumenti enormi: basta solo vedere una variazione luminosa su stelle di magnitudine non troppo elevata. Nel caso in oggetto mi sembra fosse di 13.5 circa.

  7. davide1334

    articolo interessantissimo enzo....una cosa che volevo sapere: nei sistemi stellari doppi i pianeti che orbitano attorno alle due mamme disegnano orbite ellittiche attorno al centro di massa comune o possono essere orbite più "irregolari"?

  8. caro Davide,
    se le stelle sono molto vicine, i pianeti possono orbitare attorno a entrambe e quindi attorno al loro comune baricentro. Normalmente, però, è più facile che i pianeti rivolvano attorno a una delle due. In questo caso possono subire le perturbazioni dell'altra e causare situazioni come quella descritta. Chi conta è sempre il baricentro del sistema, sia esso quello stella-pianeta o due stelle-pianeta. Dato che il baricentro è comandato dalla stella o dalle due stelle, ben più massicce, il pianeta rivolve sempre secondo un'orbita ellittica o attorno a una o attorno al baricentro di entrambe. OK? :wink:

  9. Paolo

    Caro Enzo, innanzitutto una piccola considerazione su cui riflettere: quante informazione trasportano i fotoni.
    La tabella riportata sulle osservazioni del 2008, presumo riporta sulle ordinate (Asse y) le variazioni di magnitudine e sulle ascisse in funzione di (asse x) ??. Sembrerebbe la lunghezza d'onda (??).
    Piccola domanda, come è possibile escludere che si tratta di un fenomeno intrinseco alla stella?
    Nel caso di un pianeta che ruota intorno ad una stella, l'occultazione ha una periodicità che rende unica l'interpretazione della curva di luminosità dell'astro, ma in questo caso non vi è periodicità del fenomeno ?
    Altra piccola domanda, anche se forse sarebbe meglio aspettare i prossimi articoli sulla spettrometria, la lunghezza d'onda della luce (ed il suo inverso, ossia la frequenza) sono strettamente legati al livello energetico del fascio luminoso (più è alta frequenza e quindi minore la lunghezza d'onda, più è alta la sua energia), già ma come interpretare tale comportamento con la luce vista come particelle?.
    Un maggior livello energetico del singolo fotone (o un pacchetto di informazioni più corposo) , oppure un numero maggiore di fotoni in unità di tempo?.
    In ultimo due domande un po' OT.
    Dove posso acquistare il libro “la fisica Addormentata nel bosco” ?
    Ho appena finito di leggere i tuoi articoli sulla matematica, ora è mia intenzione rileggere tutto e soffermarmi su ogni dubbio.... se dovesse servire è possibile resuscitare con le domande anche alcuni vecchi articoli?
    Una piccola considerazione per chi ritiene che la matematica sia più difficile..... a volte ciò che sembra semplice funziona solo finché non si tenta di approfondire i problemi, in tal caso ciò che appariva come difficile potrebbe risultare molto più semplice per affrontare il problema.
    Per esempio, sfido chiunque (vedi articolo http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/2014/05/13/era-una-casa-molto-carina-senza-soffitto-senza-cucina/) a proseguire la rappresentazione grafica di un sistema a 5 dimensioni (oltre l'ipercubo... http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/2014/05/13/era-una-casa-molto-carina-senza-soffitto-senza-cucina/ ), cosa di una semplicità elementare usando la matematica.

    Paolo

  10. caro Paolo,
    ti rispondo punto a punto...

    (1) in ascissa c'è il tempo, espresso in giorni. Infatti la luminosità aumenta e poi diminuisce (secondo una campana) proprio perché la stellina "davanti" si avvicina angolarmente, copre e poi se ne va rispetto a quella lontana. A seconda della perfezione dell'allineamento si ha una maggiore e minore intensificazione della luce. L'allineamento varia in funzione del tempo... come mostra la figura 2.
    (2) un fenomeno intrinseco dovrebbe essere il più delle volte periodico (macchie, forma allungata, variabilità, ...) o quantomeno dovrebbe seguire delle curve ben conosciute e non certo così rapide nella salita e nella discesa e nemmeno così simmetriche.
    (3)La luce intesa come particelle è solo un modo di ... dire. Si chiamano particelle dato che danno luogo a fenomeni simili a quelli delle particelle (posseggono quantità di moto, fanno scattare un contatore, espellono un elettrone, ecc.). In realtà sono comunque onde di probabilità e si comportano come pacchetti d'energia, proprio i quanti che sono alla base della MQ e che vedremo meglio nella prossima puntata della spettroscopia.
    (4)L'energia va con la frequenza. O -meglio- il pacchetto "quanto" (che è poi il fotone) dipende dalla frequenza. L'intensità luminosa è, inoltre, funzione del numero di fotoni: più ne arrivano e meglio è, ma l'energia dei fotoni singoli dipende solo dalla frequenza.
    (5) I libri e il modo di prenderli via internet li trovi nella sezione "Libri" nella riga della homepage in alto (la stessa riga dell'archivio).
    (6) direi che potresti inserire le domande nei vecchi articoli (se sono su questo blog) oppure nella sezione archivio (riga in alto) se erano su astronomia.com. Quando scrivi un commento io ricevo l'avviso anche se è su un articolo molto vecchio...

    Considerazioni finali: pienamente d'accordo con te. La stessa cosa vale per i buchi neri e tutte le loro variazioni e ricadute. La matematica è complicata, ma permette delle soluzioni che una trattazione di tipo divulgativo può solo accennare, ma non dimostrare...

    Ancora complimenti per la costanza e l'accuratezza delle domande... :wink:

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