TRAPPIST-1, una nana rossa ultrafredda

Con sette pianeti vicinissimi, grandi più o meno come la Terra

Un suggestivo paesaggio osservato nella fioca luce rossastra emanata dalla freddissima nana rossa TRAPPIST-1. Credit: NASA

I trappisti sono monaci di clausura che si dedicano alla vita contemplativa, allo studio, alla preghiera e ai lavori agricoli. Sono rinomati per la produzione di birra, ma non per la scoperta di pianeti extrasolari. Eppure, a partire dal 23 febbraio, il nome di quest’ordine cistercense sarà in qualche modo ricordato e associato all’astronomia, e in particolare alla ricerca di esopianeti, grazie a due telescopi robotici che si chiamano, guarda caso, TRAPPIST.

La scoperta, il rumore mediatico, le fonti di informazione
Il telescopio robotico TRAPPIST Sud, situato in Cile, con il quale sono stati osservati per la prima volta i transiti dei pianeti del sistema TRAPPIST-1. Credit: E. Jehin/ESO

TRAPPIST è in realtà un acronimo e significa esattamente TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope, che in italiano sta per “Piccolo telescopio per pianeti e planetesimi in transito”. Il primo dei due telescopi, quello Sud, con specchio da 60 cm, si trova a La Silla, in Cile, presso l’osservatorio dell’ESO; è gestito dall’Università belga di Liegi ed è in attività dal 2010. Il secondo, quello Nord, anch’esso con specchio da 60 cm, è stato installato nella primavera del 2016 e si trova presso l’Osservatorio Oukaïmeden in Marocco. È gestito in collaborazione dall’Università di Liegi e dall’Università Cadi Ayyad di Marrakesh.

I due telescopi “trappisti” hanno contribuito con centinaia di ore di osservazione alla scoperta di un inusuale sistema planetario, formato da sette pianeti di dimensioni, massa e densità relativamente simili a quelle della Terra, in orbita intorno a una nana rossa ultrafredda, battezzata opportunamente TRAPPIST-1.

Il 23 febbraio 2017, con una ben orchestrata operazione mediatica, annunciata nei giorni precedenti, la NASA, l’ESO, il giornale Nature e altri enti attivi nella scoperta hanno diffuso articoli, immagini, video, comunicati stampa e conferenze, in cui l’esistenza della stella e della sua coorte di sette pianeti è stata resa nota al grande pubblico. L’accento è stato posto sulla possibilità che almeno tre dei sette pianeti abbiano oceani e mari di acqua liquida alla superficie, trovandosi all’interno della zona abitabile della loro stella.

Il simpatico doodle con cui Google ha celebrato la scoperta del sistema planetario di TRAPPIST-1

La notizia è rimbalzata ovviamente sui media generalisti di tutto il mondo, i cui titoli, più o meno in fotocopia, annunciano a nove colonne la scoperta di sette “sorelle” della Terra (o “fratelli”, a seconda della preferenze) e lasciano intendere che la possibilità che almeno alcuni di quei pianeti ospitino forme di vita sia più che mai concreta. La scoperta è sicuramente sensazionale, ma l’entusiasmo è forse prematuro: sappiamo in realtà ancora troppo poco di quei sette pianeti per avere un’idea precisa della loro natura e delle loro reali condizioni di abitabilità.

Ma vediamo più in dettaglio che cosa si sa, per ora, della stella e dei suoi pianeti, attingendo le notizie dalle fonti sicuramente più qualificate, cioè i due studi pubblicati su Nature, entrambi con Michaël Gillon dell’Università di Liegi come primo autore.

Il primo articolo, intitolato “Temperate Earth-sized planets transiting a nearby ultracool dwarf star”, è stato pubblicato il 12 maggio 2016: descrive le caratteristiche della stella e rende nota l’esistenza di tre — i più interni — dei sette pianeti scoperti con il metodo del transito. Il secondo articolo, intitolato “Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1”, è quello pubblicato il 23 febbraio 2017. Contiene la descrizione dell’intero sistema planetario, completa dei principali parametri (raggio, massa, densità, irradiazione, periodo e semiasse dell’orbita ecc.), determinati — nei margini d’errore — sulla base di un’ampia serie di osservazioni compiute con numerosi telescopi terrestri e spaziali.

TRAPPIST-1 è stata infatti osservata negli ultimi anni per moltissimo tempo, nel visibile ma soprattutto nell’infrarosso, cioè nella regione dello spettro in cui l’emissione di una stella così debole e fredda è maggiormente evidente. La parte del leone nella campagna globale di osservazioni è stata fatta dal telescopio spaziale Spitzer, che opera appunto nell’infrarosso. Spitzer è stato puntato su TRAPPIST-1 per ben 518 ore complessive, con un periodo di osservazione ininterrotta durato dal 19 settembre al 10 ottobre 2016.

Ma molti altri osservatori, tra i quali Hubble, il Very Large Telescope dell’ESO, l’UKIRT alle Hawaii, il CTIO, il William Herschel e altri ancora, hanno partecipato alla campagna di osservazioni, consentendo di studiare con molta precisione i transiti dei pianeti e di ricavare accurate informazioni sulla natura e l’attività della stella.

Tutto ciò che sappiamo di TRAPPIST-1

TRAPPIST-1 è stata scoperta nel 2000 nell’ambito di una ricerca di nane rosse ultrafredde relativamente vicine alla Terra. Il nome originale — 2MASS J23062928–0502285 — fa riferimento alla scansione del cielo nell’infrarosso chiamata Two Micron All Sky Survey, abbreviata in 2MASS. I numeri indicano le coordinate celesti della sua posizione.

Proprio osservando il rapido cambiamento di posizione nel cielo, cioè l’elevato moto proprio, gli astronomi compresero che si trattava di un oggetto molto vicino alla Terra. Di questa velocità ci si può rendere conto osservando l’immagine della stella, riportata di seguito, tratta dai dati della recentissima survey Pan-STARRS, in cui TRAPPIST-1 appare formata da un “impasto” di colori differenti, a testimonianza del fatto che la stella si è mossa durante esposizioni successive fatte con filtri cromatici differenti.

TRAPPIST-1 è la stella al centro di quest’immagine tratta dalla recentissima survey Pan-STARRS. Il fatto che la stella appaia “impastata” da più colori indica che si è mossa mentre veniva osservata in epoche successive con filtri differenti: un chiaro segno della sua (relativa) vicinanza alla Terra. Credit: Pan-STARRS1 Surveys (PS1)

Dalla misurazione dell’angolo di parallasse, pari a 82,6 ± 2,6 millesimi di secondo d’arco, è stata derivata la distanza, che è di 12,1 ± 0,4 parsec, cioè 39,46 anni luce. Sembra poco, e lo è in termini astronomici: ma si tratta pur sempre — per noi umani — di un abisso di spazio che corrisponde a 3,734 × 10¹⁴ km ovvero 373.400 miliardi di km. Se la “velocissima” sonda New Horizons — quella che ha visitato Plutone un anno e mezzo fa — fosse diretta verso TRAPPIST-1, le occorrerebbero qualcosa come 827.000 anni per raggiungerla, mantenendo l’attuale velocità eliocentrica di 14,31 km/s con cui sta attraversando la Fascia di Kuiper.

Anche solo mandare un messaggio per mezzo di segnali luminosi o radio verso TRAPPIST-1 richiede 40 anni. Servirebbero poi altri 40 anni per ricevere una risposta con lo stesso sistema, se si verificasse la coincidenza — straordinariamente fortunata — che su uno di quei sette pianeti albergasse una forma di vita intelligente, in grado di ricevere il messaggio, decodificarlo e rispondervi.

Dobbiamo perciò rassegnarci al fatto che l’unica cosa che possiamo fare, dopo la meravigliosa scoperta di questo sistema planetario, è investire tempo e risorse per studiare da lontano i sette pianeti e le loro atmosfere, nel tentativo di capire meglio come sono fatti. Potremo scoprire in futuro, per esempio, se esistono, nella luce filtrata dalle loro atmosfere, righe spettrali associabili alla vita, quali quelle che indicano la presenza di vapore acqueo, metano o ossigeno. L’unico contatto è insomma, almeno per ora, forzatamente limitato al puro “voyeurismo” astronomico.

Il cerchio rosso indica la posizione di TRAPPIST-1 nella costellazione dell’Acquario. Credit: ESO/IAU e Sky & Telescope

Ciò premesso, e anche per non cadere in troppo facili entusiasmi, è utile tener conto delle enormi differenze che esistono tra le condizioni all’interno del sistema solare — l’unico posto in cui sappiamo per esperienza diretta che la vita effettivamente esiste — e quelle che possiamo dedurre vi siano nel sistema planetario di TRAPPIST-1, sulla base di ciò che i nostri telescopi hanno finora osservato.

La prima grande differenza riguarda il tipo di stella. Il Sole è molto più grande, massiccio e luminoso di TRAPPIST-1. Questa debole e fredda nana rossa è così minuscola e apparentemente insignificante che può essere considerata a buon diritto una gemella quasi perfetta della stella più piccola attualmente nota, cioè 2MASS J0523–1403, della quale abbiamo parlato diffusamente in un post di qualche giorno fa.

La natura minimale di TRAPPIST-1 appare chiaramente dal confronto numerico con i parametri solari. Con una magnitudine visuale apparente di 18,8, la nana rossa, nonostante la sua relativa vicinanza astronomica, è circa 132.000 volte meno luminosa delle più deboli stelle visibili a occhio nudo. A paragone del Sole è 1.908 volte meno brillante: emette cioè appena 5,24 decimillesimi dell’energia radiante prodotta dalla nostra stella. Le dimensioni sono proporzionate alla scarsissima luminosità. Il raggio è pari a 0,117 ± 0,0036 raggi solari, cioè 81.400 km: appena un po’ maggiore del raggio di Giove (il 14% in più). La massa è circa l’8% di quella del Sole.

TRAPPIST-1 è una stella di sequenza principale come il Sole, ma appartiene a una classe spettrale, M8, nettamente più fredda di quella solare (che è G2). La temperatura effettiva è di 2.559 ± 50 K, cioè meno della metà di quella della nostra stella (5.778 K). È moderatamente attiva, non possiede compagne binarie, neppure spettroscopiche, e ha un’età stimata in almeno 500 milioni di anni, probabilmente di più. Si tratta in ogni caso di un’età letteralmente insignificante rispetto alla durata di vita potenziale di una stella così piccola e fredda, che si calcola sia nell’ordine delle migliaia di miliardi di anni.

La carta d’identità dei sette pianeti

I sette pianeti che le orbitano intorno — è bene chiarirlo — non sono mai stati osservati né fotografati direttamente. La loro stessa esistenza e i loro parametri fisici sono stati ricavati per via indiretta, a partire dai transiti osservati con i due telescopi TRAPPIST e con altri telescopi. Per “transiti” si intendono piccoli cali periodici della luminosità della stella, associati al passaggio davanti al disco stellare dei sette pianeti. La scoperta e la caratterizzazione dell’intero sistema planetario sono in sostanza il frutto di un colpo di fortuna: il fatto, cioè, che il piano orbitale dei sette pianeti sia casualmente disposto in modo tale che, dalla Terra, lo osserviamo di taglio. Ciò ci consente di vedere e misurare i cali di luminosità della stella, prodotti dal periodico passaggio orbitale dei sette pianeti lungo la nostra linea di vista.

Dimensioni orbitali a confronto: quelle dei sette pianeti di TRAPPIST-1 e quelle di Mercurio, Venere e Terra nel sistema solare interno. Credit: NASA/JPL

Il primo e il più interno dei sette “fratelli” è TRAPPIST-1b, il cui anno dura appena 1,51 giorni terrestri cioè poco più di 36 ore. Di questo pianeta sono stati osservati ben 37 transiti unici. Il semiasse maggiore dell’orbita misura appena 11,11 millesimi di unità astronomica, pari a 1.665.000 km (poco più di 20 raggi stellari). A causa del fatto che è praticamente attaccato alla stella, riceve un’irradiazione 4,25 volte maggiore di quella che la Terra riceve dal Sole, nonostante la nana rossa sia, come abbiamo visto, estremamente fredda. Il pianeta è grande praticamente come la Terra — misura esattamente 1,086 raggi terrestri — ma ha una massa inferiore, pari a 0,85 masse terrestri. L’incertezza di questo valore, ±0,72, è però molto elevata: prendendo per buono il limite superiore, la massa potrebbe dunque essere addirittura pari a una volta e mezzo quella della Terra, il che renderebbe la densità e la gravità superficiale di conseguenza molto più elevate.

Il secondo pianeta in ordine di distanza dalla stella è TRAPPIST-1c, del quale sono stati osservati 29 transiti unici. Il suo anno dura 2,42 giorni terrestri, con un semiasse maggiore dell’orbita di 2.280.000 km (28 raggi stellari). Riceve un’irradiazione 2,27 volte superiore a quella della Terra. Il raggio è praticamente uguale a quello del nostro pianeta (1,056 raggi terrestri), ma la massa sembra essere nettamente superiore: 1,38 ± 0,61 masse terrestri. Anche in questo caso, però, il margine d’incertezza è molto elevato. Potrebbe dunque trattarsi di un pianeta densissimo, con una massa doppia di quella della Terra e una gravità molto elevata, o, all’opposto, di un pianeta relativamente leggero, con meno di 4/5 della massa terrestre.

Il terzo “fratello” è TRAPPIST-1d, con 9 transiti unici osservati. Il suo anno dura poco più di 4 dei nostri giorni. Il semiasse maggiore dell’orbita è di 3.216.000 km, pari a poco meno di 40 raggi stellari. Riceve un’irradiazione maggiore del 14% rispetto a quella della Terra. Il raggio è il 77% di quello terrestre (una via di mezzo tra Marte e la Terra), mentre la massa è solo il 41% di quella del nostro pianeta, con un’incertezza di ±0,27 masse terrestri.

Tutti e tre questi pianeti hanno temperature medie superiori a quelle della Terra. Anche se dovessero possedere, come è probabile, una superficie solida, sembrano condannati a essere mondi inospitali per la vita, con atmosfere soggette molto probabilmente a un effetto serra catastrofico, del tipo di quello che rende la superficie di Venere un arido e infernale deserto. Tuttavia, i tre pianeti sono certamente bloccati in rotazione sincrona, a causa dell’estrema vicinanza alla stella. Rivolgendo sempre la stessa faccia alla nana rossa, è possibile che l’emisfero opposto, quello perennemente al buio, conservi zone dal clima temperato, con bacini di acqua allo stato liquido. Tutto dipende ovviamente dalla composizione chimica dei tre pianeti, in particolare da quella delle loro atmosfere e dal tipo di venti che le percorrono.

Le cose cominciano a farsi interessanti con il quarto pianeta della serie, TRAPPIST-1e, del quale sono stati osservati 7 transiti unici. Il suo anno dura 6,1 giorni terrestri e il semiasse maggiore dell’orbita è di 4,22 milioni di km. È ancora vicinissimo alla stella per i criteri del sistema solare. Per confronto, il semiasse maggiore dell’orbita di Mercurio, il pianeta più vicino al Sole, è di 57,9 milioni di km. Mercurio, cioè, è ben 13,7 volte più lontano di TRAPPIST-1e dalla stella madre e, nonostante ciò, ha temperature superficiali che raggiungono i 700 K. Ma qui entra in gioco la differenza tra il Sole e la nana rossa. Con poco più di 5 decimillesimi della luminosità solare, quest’ultima è così poco energetica da rendere possibile la presenza di acqua liquida alla superficie di TRAPPIST-1e anche a una distanza di appena 4 milioni di km o poco più. L’irradiazione che il pianeta riceve è in effetti solo il 66% di quella terrestre. Il suo raggio corrisponde al 92% di quello della Terra (è grande cioè più o meno come Venere) mentre la massa è il 62% di quella del nostro pianeta, con un’incertezza però quasi altrettanto elevata: ±0,58 masse terrestri.

Il quinto pianeta in ordine di distanza è TRAPPIST-1f, con 4 transiti unici osservati. Il suo anno dura 9,2 giorni terrestri e dista 5,56 milioni di km dalla stella. Riceve il 38% dell’irradiazione terrestre. Il raggio è di 1,045 raggi terrestri, ma la massa è solo il 68% di quella del nostro pianeta (con un’incertezza di ±0,18 masse terrestri). La densità presunta è solo il 60% di quella della Terra. Anche questo pianeta, come il precedente, è nella zona abitabile della sua stella: qualora avesse un’atmosfera di tipo terrestre, potrebbe ospitare oceani o mari di acqua liquida.

Lo stesso vale anche per il sesto pianeta, TRAPPIST-1g, del quale sono stati osservati 5 transiti unici. Il suo giorno dura 12,35 giorni terrestri e dista mediamente 6,76 milioni di km dalla stella. Riceve circa il 26% dell’irradiazione della Terra, ha un raggio pari a 1,13 raggi terrestri e una massa superiore del 34% a quella del nostro pianeta (ma con un’altissima incertezza, pari a ±0,88 masse terrestri).

Il settimo e ultimo pianeta è TRAPPIST-1h, del quale è stato osservato un solo transito unico: troppo poco per una caratterizzazione precisa. Il periodo orbitale presuntivo è di 20 giorni, con un’incertezza di 15 giorni in più e 6 in meno. Non si hanno informazioni precise neanche sulla distanza orbitale dalla stella, che è stimata approssimativamente in poco meno di 10 milioni di km. Il pianeta riceve un’irradiazione intorno al 13% di quella terrestre, che si traduce in una temperatura di equilibrio di oltre 100 °C sotto lo zero: un valore troppo basso per essere compatibile con la possibilità che vi sia acqua liquida in superficie, a meno che il pianeta non possieda fonti interne di energia, dovute per esempio al decadimento radioattivo di materiali nel nucleo. Il raggio è il 75% di quello terrestre, ma non si hanno informazioni né sulla massa né sulla densità.

Rappresentazione artistica di un paesaggio osservato da uno dei pianeti del sistema di TRAPPIST-1. Credit: NASA/JPL-Caltech
Considerazioni conclusive

Se questa è la carta d’identità dei sette pianeti, l’unica conclusione che possiamo trarre, per il momento, è che ne sappiamo ancora troppo poco per avere certezze di qualsiasi tipo. È probabile che tutti e sette i pianeti, soprattutto quelli più interni, siano bloccati in rotazione sincrona. Ciò significa che rivolgono sempre la stessa faccia alla loro stella e che hanno, dunque, un emisfero perennemente illuminato e l’altro sempre al buio. Ciò rende le condizioni climatiche, anche dei tre pianeti in zona abitabile, completamente differenti da quelle tipiche di un pianeta con alternanza di giorno e di notte come la Terra.

L’incertezza è resa ancora maggiore dal fatto che le masse e le densità dei vari pianeti non sono note con precisione. Ciò rende difficile capire quale sia esattamente la loro composizione chimica. Non sappiamo, per esempio, se siano ricoperti oppure no da estesi involucri gassosi di idrogeno e di elio, che renderebbero impossibile l’esistenza di vita alla superficie, per via della pressione e della densità dell’aria al livello del suolo.

Non sappiamo, inoltre, quale sia l’effetto dell’attività della nana rossa sui suoi pianeti. Le stelle di quel tipo sono soggette, soprattutto quando sono giovani, a intensi brillamenti, con forti emissioni occasionali di raggi X e di raggi ultravioletti, con conseguenze che possono essere disastrose su pianeti non adeguatamente protetti da un campo magnetico e da un’atmosfera.

Ci sono, insomma, troppe cose che ancora non sappiamo sul sistema planetario di TRAPPIST-1. Ne sapremo di sicuro di più nei prossimi anni, quando si saranno accumulate ulteriori osservazioni della stella; a partire dal 2018, diventerà finalmente disponibile, se tutto andrà bene, il telescopio spaziale James Webb, che sarà dotato di una straordinaria sensibilità proprio nella regione dell’infrarosso, che è la migliore finestra osservativa per studiare la debole nana rossa e i suoi pianeti.

In conclusione, l’unica cosa veramente certa è che il sistema planetario di TRAPPIST-1 è in grado di offrire a un ipotetico osservatore diretto uno spettacolo di fascino e suggestione unici. Dai pianeti più esterni del sistema è possibile infatti seguire, nella luce fioca e rossastra della stella, la danza frenetica dei pianeti più interni, impegnati nella loro quotidiana, velocissima corsa intorno alla nana rossa. Con le loro orbite quasi circolari, legate da rapporti di risonanza, i pianeti non appaiono nel cielo come piccoli punti luminosi, come i pianeti del sistema solare visti dalla Terra, ma come dischi grandi e nitidi, così vicini gli uni agli altri da consentire di scorgerne le caratteristiche geografiche.

Le rappresentazioni artistiche allegate al post sono solo una guida per consentirci di liberare la fantasia e immaginare ciò che potrebbe capitarci di vedere, se avessimo la possibilità di osservare il cielo dalla superficie di uno di quei pianeti.

Rappresentazione artistica del cielo osservato dalla superficie di TRAPPIST-1d, il terzo pianeta del sistema. Credit: ESO/M. Kornmesser