DIRECT IMAGING

Il metodo Direct Imaging consiste nel catturare direttamente immagini di esopianeti cercando la luce riflessa dall'atmosfera di un pianeta a lunghezze d'onda infrarosse. Individuare pianeti extrasolari con questo metodo non e' tanto semplice quanto osservare la Luna o i pianeti del nostro Sistema Solare, proprio perche' la luce riflessa da un pianeta e' molto piu' debole di quella emessa dalla stella attorno alla quale esso orbita, la cui luminosita' ne disturba l'osservazione. Questo effetto e' tanto piu' accentuato quanto piu' i pianeti sono piccoli e lontani da noi.

La tecnica che viene utilizzata dai potenti telescopi per far emergere, nel campo visivo, il flebile chiarore degli esopianeti e' denominata coronografia. Con questa tecnica i coronografi (particolari diaframmi) provvedono ad attenuare la luce della stella madre di un esopianeta fino ad un fattore 100. Gli attuali coronografi hanno anche la capacita' di limitare, da una particolare zona del piano focale del telescopio, il fenomeno di diffrazione della luce, mantenendo molto basso il livello di luce diffusa.

Negli ultimi anni, gli strumenti utilizzati nelle osservazioni effettuate con il metodo Direct Imaging si sono rivelati sempre piu' accurati ed affidabili. Infatti, si e' riusciti ad abbattere gli effetti negativi della turbolenza atmosferica sulle immagini astronomiche e quindi si e' potuto ottenere la diretta identificazione degli esopianeti nelle riprese telescopiche delle zone attorno alle stelle.

Il metodo Direct Imaging e' particolarmente efficiente nei seguenti casi:

• per pianeti che descrivono larghe orbite attorno a stelle giovani. In questo caso la luce riflessa dal pianeta non viene sopraffatta da quella della stella che lo ospita;

• quando il pianeta e' particolarmente massivo, molto piu' grande di Giove;

• quando il pianeta e' caldo, tanto da poter emettere radiazione infrarossa.

Fomalhaut b e' stato il primo pianeta extrasolare che, con il metodo Direct Imaging, e' stato visto orbitare intorno alla sua stella Fomalhaut. Questa e' una stella di classe spettrale A, giovanissima e brillantissima, nella costellazione del Pesce Australe. Le stelle appartenenti a questa classe spettrale presentano un disco protoplanetario molto esteso, che rende possibile la formazione di pianeti in orbite molto distanti dall'astro centrale. Inoltre, trattandosi di stelle giovanissime, i pianeti ospiti sono ancora in formazione e quindi molto caldi ed emittenti nella banda infrarossa. Le immagini di Fomalhaut b sono state ricavate schermando la luce della stella con un apposito filtro, per evitare l'offuscamento causato dalla luminosita' stellare; il pianeta e' stato fotografato da Hubble Space Telescope (HST) e dopo otto anni di attente osservazioni si e' giunti a stabilirne i parametri fisici ed orbitali. L'immagine del pianeta e' stata ottenuta nello spettro visibile, contrariamente a quanto si aspettavano gli studiosi, i quali sostenevano che i pianeti caldi in formazione si potessero osservare piu' agevolmente nella banda infrarossa. Fomalhaut b risiede nella fascia di polveri della stella principale e questo lascia pensare che si tratti di un pianeta roccioso, oppure che il pianeta sia dotato di un nucleo solido.

La scoperta di Fomalhaut b ha indotto gli scienziati a prendere in esame anche le stelle di classe spettrale A che, in precedenza, erano state trascurate a causa della loro estrema luminosita'.

Image credit: NASA.

Tra gli esopianeti rilevati con il metodo Direct imaging bisogna ricordare, in particolare, i quattro esopianeti orbitanti attorno alla stella bianca HR 8799, visibile nella costellazione di Pegaso e situata ad una distanza di 129 anni luce dal nostro Sistema Solare. Tre di questi esopianeti sono stati scoperti il 13/11/2008, invece la scoperta del quarto esopianeta e' avvenuta nel 2010.

Immagine diretta di esopianeti attorno alla stella HR 8799, ottenuta con un coronografo a vortice su una porzione di 1,5 m del Telescopio Hale, all'Osservatorio Palomar.

Di seguito sono riportati alcuni tra i piu' importanti e sofisticati telescopi al mondo, che, con la propria banda di osservazione e con le proprie peculiarita', utilizzano, per l'identificazione dei pianeti extrasolari, la tecnica basata sui coronografi:

• il telescopio Gemini South in Cile;

• il Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona, Stati Uniti d'America;

• il Very Large Telescope dello European Southern Observatory (ESO), in Cile;

Inoltre, tra i telescopi spaziali che in futuro adopereranno un coronografo nella ricerca degli esopianeti, sono da ricordare:

• il telescopio WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope). Si tratta di una missione della NASA ed il telescopio sara' dotato di un coronografo almeno 1.000 volte piu' potente di qualsiasi altro coronografo gia' esistente. La potenza di un coronagrafo e' misurata dal "rapporto di contrasto", ossia dal rapporto tra la luminosita' della stella centrale e la luminosita' del pianeta studiato;

• il telescopio spaziale a raggi infrarossi JWST (James Webb Space Telescope).

Il metodo Direct imaging e' stato utilizzato da Hubble Space Telescope (HST), il primo telescopio spaziale della NASA dedicato alla rilevazione degli esopianeti. Questo stesso metodo e' stato anche applicato da telescopi molto sofisticati, come i telescopi gemelli Keck delle isole Hawaii, e verra' utilizzato dal telescopio di prossima generazione E-ELT (European Extremely Large Telescope), il piu' grande telescopio ottico al mondo nel vicino infrarosso.

La NASA, accanto alla tecnologia del coronografo, noto anche come occultatore interno, sta sperimentando una nuova tecnica per riuscire ad ottenere immagini di pianeti extrasolari simili alla Terra. Questa tecnica e' basata sull'idea di creare un'eclissi artificiale. L'eclissi dovrebbe bloccare la luce di una stella al di fuori del telescopio, anziche' al suo interno, attraverso l'utilizzo di uno Starshade, un grande veicolo spaziale libero e simile ad un girasole (vedi figura). Lo Starshade dovrebbe essere lanciato insieme al telescopio, ma, una volta nello spazio, si dovrebbe separare sia dal razzo che dal telescopio, interponendosi tra quest'ultimo e la stella osservata. Questa gigantesca struttura, dispiegando i suoi petali, si posizionerebbe in maniera tale da bloccare la luce della stella prima che questa arrivi sul telescopio, permettendole cosi' di raggiungere il pianeta extrasolare. In questo modo si eviterebbe il problema della luce diffratta e di quella diffusa all'interno del telescopio stesso. Con l'utilizzo di uno Starshade si potrebbero ottenere rapporti di contrasto di 10 miliardi ad uno ed inoltre verrebbe significativamente ridotto sia il costo del telescopio, sia la sua complessita'. Intervenendo con uno Starshade sarebbe possibile acquisire immagini di pianeti rocciosi simili alla Terra, orbitanti attorno a stelle vicine e potrebbe essere fatto, in maniera molto piu' dettagliata, lo studio di tali pianeti nella zona abitabile della loro stella. Gli astronomi ritengono che questa tecnica rappresenti uno dei metodi migliori per ricercare i biomarcatori, ossia i segni rilevatori di possibili forme di vita nelle atmosfere degli esopianeti.

Starshade con osservatorio spaziale durante il dispiegamento.