Crediti: Brendan Bowler (UT-Austin) / WM Keck Observatory

Introduzione

Un team di astronomi guidato da Brendan Bowler dell’Università del Texas ad Austin, ha indagato sul processo di formazione di esopianeti giganti e nane brune, una classe di oggetti più massicci dei pianeti giganti, ma non abbastanza massicci da innescare la fusione nucleare nei loro nuclei e farle brillare come vere stelle. 

Usando l’imaging diretto con il Keck Telescope e il Subaru Telescope alle Hawaii, hanno studiato le orbite – a lungo termine – di 27 pianeti giganti e dei loro compagni rappresentati da nane brune, che sono in orbita attorno a stelle. Questi dati, combinati con la modellizzazione delle orbite, hanno permesso loro di determinare che le nane brune, in questi sistemi, si sono formate come stelle, ma i giganti gassosi si sono formati come pianeti. 

La ricerca è pubblicata nel numero attuale di The Astronomical Journal.

Figura 1
Figura 1 : Brown Dwarf GJ 504 B. L’immagine della nana bruna a bassa massa GJ 504 B è stata scattata da Bowler e dal suo team usando l’ottica adattiva con la fotocamera NIRC2 all’Osservatorio Keck alle Hawaii. L’immagine è stata elaborata per rimuovere la luce dalla stella ospite (la cui posizione è contrassegnata da una “x”). Il compagno si trova ad una distanza di circa 40 volte quella Terra-Sole e ha un periodo orbitale di circa 240 anni. Ritornando su questo e altri sistemi anno dopo anno, il team è in grado di tracciare lentamente parte dell’orbita del compagno per determinarne la forma, il che fornisce indizi sulla sua formazione e storia. (Credits: Brendan Bowler (UT-Austin) / WM Keck Observatory)

La natura delle nane brune e dei pianeti giganti

Negli ultimi due decenni, i balzi tecnologici hanno permesso ai telescopi di separare la luce da una stella madre e un oggetto orbitante, molto più fioco. Nel 1995, questa nuova capacità ha prodotto le prime immagini dirette di una nana bruna in orbita attorno a una stella. La prima immagine diretta di pianeti in orbita attorno a un’altra stella è seguita nel 2008.

Le nane brune, come definite dagli astronomi, hanno masse comprese tra 13 e 75 masse di Giove. Hanno caratteristiche in comune sia con i pianeti che con le stelle, e Bowler e il suo team volevano rispondere alla domanda: i pianeti giganti gassosi, ai margini esterni dei sistemi planetari, sono la punta dell’iceberg planetario o la fine delle nane brune?

Ricerche passate hanno dimostrato che le nane brune che orbitano attorno a stelle, probabilmente si sono formate come stelle a bassa massa, ma è meno chiaro quale sia il compagno, di massa più basso, che può produrre questo meccanismo di formazione. “Un modo per arrivare a questo è studiare la dinamica del sistema – guardare le orbite“, ha detto Bowler. Le loro orbite oggi detengono la chiave per sbloccare la loro evoluzione.

La squadra di Bowler ha usato il telescopio Keck e il telescopio Subaru per fotografare pianeti giganti e nani bruni mentre orbitano attorno alle loro stelle madri. È un processo lungo. I giganti gassosi e le nane brune che hanno studiato sono così distanti dalle loro stelle madri che un’orbita può richiedere centinaia di anni. Per determinare anche una piccola percentuale dell’orbita è necessario molto temp. “Prendi un’immagine, aspetti un anno“, perché il debole compagno viaggi un po’, dice Bowler. Quindi “prendi un’altra immagine, aspetti un altro anno“.

figura 2
Figura 2 : Possibili orbite per pianeti giganti e nane brune. Osservando pazientemente pianeti giganti e nane brune che orbitano attorno alle loro stelle ospiti, Bowler e il suo team sono stati in grado di limitare le forme dell’orbita anche se solo una piccola parte dell’orbita è stata monitorata. Più lunga è la linea di base del tempo, minore è l’intervallo di possibili orbite. Queste trame mostrano nove dei 27 sistemi del loro studio. (Credits: Brendan Bowler (UT-Austin))

Questa ricerca si basava su una tecnologia chiamata ottica adattiva, che consente agli astronomi di correggere le distorsioni causate dall’atmosfera terrestre. Poiché gli strumenti di ottica adattiva sono continuamente migliorati negli ultimi tre decenni, sono state direttamente fotografate più nane brune e più pianeti giganti. Ma dal momento che la maggior parte di queste scoperte sono state fatte nell’ultimo decennio o due, il team ha solo immagini corrispondenti a un piccola percentuale dell’orbita totale di ciascun oggetto. 

Orbitize!, trovare la forma dell’orbita

Hanno combinato le loro nuove osservazioni di 27 sistemi con tutte le precedenti osservazioni pubblicate da altri astronomi o disponibili negli archivi del telescopio. A questo punto, arriva la computer modeling. I coautori di questo documento hanno contribuito a creare un orbit-fitting code (codice di adattamento all’orbita) chiamato “Orbitize!” che utilizza le leggi del moto planetario di Keplero per identificare quali tipi di orbite sono coerenti con le posizioni misurate e quali no.

Il codice genera un insieme di possibili orbite per ciascun compagno. Il leggero movimento di ogni pianeta gigante o nana bruna forma una “nuvola” di possibili orbite. Più piccola è la nuvola, più gli astronomi si avvicinano alla vera orbita del compagno. E più punti dati, ovvero immagini più dirette di ciascun oggetto mentre orbita, perfezioneranno la forma dell’orbita.

Piuttosto che aspettare decenni o secoli affinché un pianeta completi un’orbita, possiamo ottenere dati in intervallo temporale più breve con misurazioni di posizione molto accurate“, ha dichiarato il membro del team Eric Nielsen dell’Università di Stanford. “Una parte di Orbitize! che abbiamo sviluppato appositamente per adattarsi alle orbite parziali, OFTI [Orbit For The Impatient], ci ha permesso di trovare orbite anche per i compagni di periodo più lungo“.

Trovare la forma dell’orbita è fondamentale: gli oggetti che hanno orbite più circolari probabilmente si sono formati come pianeti. Cioè, quando una nuvola di gas e polvere collassò per formare una stella, il lontano compagno (e qualsiasi altro pianeta) si formò da un disco appiattito di gas e polvere che ruotava attorno a quella stella.

D’altra parte, quelli che hanno orbite più allungate probabilmente si sono formati come stelle. In questo scenario, un gruppo di gas e polvere stava collassando per formare una stella, ma si è separto in due gruppi. Ciascun ammasso collassò quindi, uno formando una stella e l’altro una nana bruna che orbitava attorno a quella stella. Questo è essenzialmente un sistema binario, sebbene contenga una vera stella e una “failed star“.

Anche se questi compagni hanno milioni di anni, il ricordo di come si sono formati è ancora codificato nella loro eccentricità odierna“, ha aggiunto Nielsen. L’eccentricità è una misura di quanto sia circolare o allungata l’orbita di un oggetto.

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Figura 3: distribuzione dell’eccentricità. Queste due curve mostrano la distribuzione finale delle forme dell’orbita per pianeti giganti e nane brune. L’eccentricità orbitale determina quanto è allungata l’ellisse, con un valore di 0,0 corrispondente a un’orbita circolare e un valore alto vicino a 1,0 è un’ellisse appiattita. I pianeti giganti di gas molto lontani dalle loro stelle ospiti hanno basse eccentricità, ma le nane brune hanno una vasta gamma di eccentricità simili ai sistemi binari. Per riferimento, i pianeti giganti nel nostro sistema solare hanno eccentricità inferiori a 0,1. (Credits: Brendan Bowler (UT-Austin))

I risultati dello studio

I risultati dello studio del team su 27 compagni distanti non erano ambigui. “In conclusione abbiamo scoperto che quando dividi questi oggetti in questo confine canonico di oltre 15 masse di Giove, gli oggetti che abbiamo chiamato pianeti hanno effettivamente più orbite circolari, rispetto al resto“, ha detto Bowler. “E gli altri sembrano stelle binarie“.

Il futuro di questo lavoro prevede che questi 27 sistemi siano osservati ancora, per meglio comprenderli e per eventualmente identificare nuovi oggetti per ampliarne lo studio. “La dimensione del campione è ancora modesta, al momento“, ha detto Bowler. Il suo team sta usando il satellite Gaia per cercare altri candidati da seguire usando l’imaging diretto con una sensibilità ancora maggiore con il prossimo Giant Magellan Telescope (GMT) e altre strutture. UT-Austin è membro fondatore della collaborazione GMT.

I risultati del team di Bowler rafforzano conclusioni simili, recentemente raggiunte, dal sondaggio di imaging diretto GPIES con Gemini Planet Imager, che ha trovato prove di un diverso canale di formazione per le nane brune e i pianeti giganti in base alle loro proprietà.

Citazioni e Approfondimenti

  • Distant Giant Planets Form Differently than ‘Failed Stars’, by National Astronomical Observatory of Japan
  • Brendan P. Bowler et al 2020 AJ159 63, Population-level Eccentricity Distributions of Imaged Exoplanets and Brown Dwarf Companions: Dynamical Evidence for Distinct Formation Channels, The Astronomical Journal – DOI: https://doi.org/10.3847/1538-3881/ab5b11