Nuovi mondi scoperti grazie a minuscoli indizi

Una rappresentazione artistica del primo pianeta circumbinario scoperto grazie a un fenomeno di microlente gravitazionale. Sullo sfondo le due nane rosse intorno alle quali orbita il pianeta. Credit: NASA, ESA, G. Bacon (STScI)

Gli astronomi hanno un grande problema rispetto ad altri scienziati: non possono sottoporre gli oggetti del loro studio ad esperimenti. Non si può portare un pianeta in laboratorio e tantomeno una stella. Devono essere osservati da lontanissimo, sfruttando al massimo ogni singolo fotone che arriva sulla Terra. Per questa ragione, la matematica applicata all’astronomia ha raggiunto alti livelli di sofisticazione, per esempio nelle tecniche per estrarre il maggior numero possibile di informazioni dall’“impasto” rappresentato da un singolo pixel registrato dai sensori delle fotocamere applicate al fuoco dei telescopi.

Un campo dove le tecniche di analisi dei pochi dati disponibili ha raggiunto una capacità quasi magica di estrarre informazioni è quello dei fenomeni di microlente gravitazionale.

La lente gravitazionale, sorella maggiore della microlente, è un fenomeno previsto dalla relatività generale di Einstein. Consiste nell’amplificazione, nella distorsione e nella moltiplicazione dell’immagine di oggetti celesti lontanissimi, creata dalla gravità esercitata da una grande massa interposta tra l’osservatore terrestre e l’oggetto distante. Si verifica tipicamente quando una massiccia galassia ellittica o, meglio ancora, un intero ammasso di galassie fa da lente a una galassia primordiale lontanissima, amplificando la sua luce. Questo fortunoso allineamento consente agli astronomi di apprendere preziose informazioni su oggetti remoti, che, senza la lente creata dalla massa interposta, i nostri più potenti telescopi non sarebbero neppure riusciti a vedere.

La microlente gravitazionale è il medesimo fenomeno ma su scala ridotta. La massa che fa da lente è tipicamente una stella o un pianeta e la sorgente una stella più lontana, allineata con noi e con la lente. Le masse in gioco, in genere tutte appartenenti alla Via Lattea, sono troppo piccole perché si producano immagini multiple della sorgente.

Tutto ciò che anche i più potenti telescopi riescono a scorgere è semplicemente una variazione di luminosità della sorgente che può durare ore o giorni. A mano a mano che la lente e la sorgente si allineano con l’osservatore terrestre, la luce della sorgente aumenta fino a raggiungere il suo picco quando l’allineamento è perfetto. La luminosità comincia poi a declinare, finché la sorgente ritorna alla sua magnitudine standard, una volta che la massa dell’oggetto interposto, seguendo la propria orbita, si sia spostata a sufficienza dalla visuale che unisce l’osservatore alla sorgente.

È evidente dalla precedente descrizione che una microlente gravitazionale è un fenomeno unico, non ripetibile, perché tutti gli oggetti celesti che vi partecipano — la Terra, la sorgente e la lente — sono lontani tra loro migliaia di anni luce e hanno moti del tutto indipendenti. Quindi una microlente gravitazionale è una chance unica e fortunosa per apprendere informazioni su oggetti per lo più invisibili che sarebbero rimasti altrimenti ignoti. Ma, mentre la lente gravitazionale è preziosa nel fornire informazioni sulla sorgente (in genere un quasar o una galassia primordiale), la microlente gravitazionale è invece preziosa nel fornire informazioni sull’oggetto interposto, quello che fa da lente.

Esistono diversi progetti che eseguono scansioni periodiche del cielo alla ricerca di microlenti gravitazionali. Uno di questi progetti, creato in Polonia dall’Università di Varsavia, si chiama OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Degli oltre 17.000 eventi di microlente osservati fino a oggi, uno di essi, avvenuto nel 2007 e registrato con il nome di OGLE-2007-BLG-349, ha portato a una scoperta interessante, di cui rende conto uno studio pubblicato in prestampa il 22 settembre 2016 sul sito del telescopio spaziale Hubble.

Si tratta del primo pianeta circumbinario, cioè in orbita intorno a un sistema di due stelle, scoperto grazie a un fenomeno di microlente gravitazionale. L’immagine seguente mostra una duplice osservazione della sorgente della microlente, fatta con il telescopio Hubble per dar seguito e conferma alla segnalazione dell’evento, proveniente dal progetto OGLE.

Credit: D.P. Bennett et al.

Nella metà sinistra dell’immagine si vede (al centro) la sorgente, osservata da Hubble l’8 ottobre 2007, cioè 33 giorni dopo il picco di luminosità registrato da OGLE. La metà di destra dell’immagine mostra invece la sorgente come appariva ad Hubble il 4 maggio 2008, 243 giorni dopo il picco di luminosità.

Mettendo insieme la curva di luce della stella sorgente fornita dal progetto OGLE con le osservazioni di Hubble ed altre realizzate nell’infrarosso dal telescopio terrestre VLT dell’ESO, analizzando poi il tutto con complesse tecniche matematiche, gli autori dello studio hanno ottenuto una sorprendente quantità di informazioni:

  • la sorgente (cioè la stella che cambia di luminosità nelle immagini di Hubble) è una stella del centro galattico, distante circa 25.000 anni luce dalla Terra;
  • la massa interposta che ha creato la microlente non è un oggetto unico ma un sistema composto da due stelle e un pianeta che orbita loro intorno;
  • le due stelle sono entrambe nane rosse e distano intorno a 9.500 anni luce dalla Terra;
  • la maggiore delle due stelle ha una massa di 0,35 masse solari, la minore di 0,27 (tutte e due insieme, insomma, fanno poco più della metà del Sole);
  • le due nane rosse si trovano a breve distanza l’una dall’altra (poco più di 11 milioni di km) e il loro periodo orbitale è di circa 10 giorni;
  • sono orbitate da un pianeta con una massa pari a 69 masse terrestri (un po’ meno massiccio di Saturno), con un errore di 11 masse terrestri in più o in meno;
  • il pianeta dista circa 2,9 unità astronomiche (435 milioni di km) dalle due stelle e ha un periodo orbitale di circa 6 anni.

Ecco quante cose si possono apprendere dalla modesta variazione di luce di una stella qualunque.