La ricercatrice salernitana Ilaria Carleo e la stella TOI-942

È doppio il sistema planetario più giovane scoperto da TESS

Due esopianeti caldi, grandi all’incirca come Nettuno e con un’età tra i 30 e gli 80 milioni di anni. È l’identikit di TOI-942, il sistema planetario più giovane scoperto dal satellite TESS della NASA, scovato da un team guidato da ricercatrici e ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e caratterizzato grazie anche a dati raccolti con il Telescopio Nazionale Galileo. Con la sua giovane età, un soffio rispetto ai 4.6 miliardi di anni del nostro Sistema solare, e la presenza di più di un pianeta, questo sistema è un ottimo banco di prova per studiare come nascono e si evolvono i pianeti nell’Universo.

La storia inizia alla fine del 2018, quando il satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) della NASA registra un calo, ogni 4 giorni, nella luminosità di una stella nana arancione, poco più piccola e fredda del Sole, che si trova a circa 500 anni-luce da noi. La stella viene identificata come TOI-942, dove TOI significa “Target of interest” – una sorgente potenzialmente interessante, da continuare a studiare, poiché il calo di luminosità osservato potrebbe essere causato dal passaggio di un pianeta in orbita intorno alla stella.

L’interesse si è presto dimostrato legittimo. Ilaria Carleo, ricercatrice salernitana presso la Wesleyan University negli Stati Uniti e associata all’INAF di Padova, ha guidato un’analisi dettagliata dei dati di TESS insieme a collaboratori in molte altre sedi INAF in giro per l’Italia ma anche in Francia, Giappone, Svizzera, Spagna e Germania. Tra la fine del 2019 e l’inizio del 2020, nell’ambito del progetto GAPS2 (Global Architecture of Planetary Systems 2) che coinvolge gran parte della comunità astronomica italiana dedicata allo studio degli esopianeti, il team ha osservato questa stella anche con il Telescopio Nazionale Galileo a La Palma (Isole Canarie), dotato di uno strumento dedicato allo studio degli esopianeti, lo spettrografo HARPS-N, e il Rapid Eye Mount (REM) in Cile, entrambi dell’INAF.

Lo studio ha confermato che il segnale registrato da TESS era effettivamente causato da un pianeta che completa un’orbita intorno alla stella ogni 4 giorni. E non solo: ha rivelato anche un secondo pianeta, più esterno, intorno alla stella, con un periodo orbitale di 10 giorni.

“Entrambi i pianeti hanno un raggio circa 4 volte maggiore di quello della Terra, quindi simile a quello di Nettuno: si tratta di un sistema planetario formato da due ‘nettuniani caldi’, che orbitano molto vicino alla loro stella”, afferma Carleo, prima autrice dell’articolo che presenta i risultati, in pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

Con i dati spettroscopici ottenuti da HARPS-N, è stato possibile studiare a fondo la stella che ospita questi due pianeti e misurare in particolare l’età del sistema, compresa tra i 30 e gli 80 milioni di anni. “Anche se ci sono alcuni sistemi con singolo pianeta più giovani, tra i 15 e i 30 milioni di anni, TOI-942 è il sistema multi-planetario più giovane trovato finora da TESS”, aggiunge Silvano Desidera, ricercatore all’INAF di Padova e co-autore dell’articolo.

 Ad oggi non esiste un’unica comprovata teoria che spieghi la formazione ed evoluzione degli esopianeti, e questo sistema è un importante laboratorio per mettere alla prova le diverse teorie note. “La giovane età di TOI-942 ci permette di osservare le prime fasi dell’infanzia del sistema planetario, ed essendo un sistema multi-planetario ci offre un’opportunità unica di fare planetologia comparativa”, spiega Carleo. “Poiché orbitano la stessa stella, i due pianeti si sono formati nello stesso disco protoplanetario, ma possono aver avuto fasi differenti durante la loro formazione ed evoluzione, in quanto gli elementi gassosi e solidi del disco possono variare fortemente in funzione della distanza orbitale e del tempo”.

 I dati spettroscopici suggeriscono inoltre che il pianeta più interno possa avere un’orbita leggermente eccentrica (ovvero a forma di ellisse anziché circolare). Questo aspetto, non insolito per pianeti nettuniani con periodi inferiori ai 5 giorni come questo, attende ancora conferma mediante ulteriori osservazioni. Si tratterebbe però di un dettaglio molto interessante, poiché i diversi modelli di formazione planetaria prevedono diversi meccanismi che influenzano i vari aspetti di un sistema planetario, tra cui le eccentricità delle orbite.

Tre sono i modelli principali per la formazione di pianeti che vengono osservati vicino alla loro stella. Secondo il modello di formazione in situ, un pianeta si forma vicino alla stella e la sua orbita rimane invariata; il modello di migrazione all’interno del disco protoplanetario, invece, prevede la formazione di un pianeta lontano dalla stella, seguita da una successiva migrazione che lo porta ad avvicinarsi sostanzialmente alla stella (da alcune volte la distanza media Terra-Sole fino a qualche centesimo di questa distanza); infine, secondo il modello di migrazione mareale ad alta eccentricità, un pianeta può essere sbalzato in un’orbita molto eccentrica a causa di interazioni con un altro pianeta o un compagno stellare distante, e successivamente l’orbita diventa circolare per effetto mareale. L’osservazione di un numero sempre più grande di esopianeti è quindi di enorme importanza per avere un’ampia statistica di parametri orbitali e porre vincoli sui modelli di evoluzione.

“Il nostro gruppo di ricerca, all’interno del progetto GAPS2, si sta dedicando alla ricerca e caratterizzazione di pianeti giovani, con gli spettrografi HARPS-N e GIANO-B al Telescopio Nazionale Galileo”, nota Carleo. “Questi oggetti, osservati a un’epoca non troppo lontana dalla loro formazione, ci consentono di studiarne l’origine e l’evoluzione”.

Nell’ambito dello stesso progetto, ricercatrici e ricercatori continueranno a monitorare TOI-942 per stimare la massa dei due pianeti attraverso il metodo delle velocità radiali, ovvero misurando il minuscolo effetto gravitazionale dei pianeti sulla loro stella ospite. Il sistema sarà anche oggetto di osservazioni da parte di CHEOPS, la nuova missione spaziale dell’ESA per lo studio degli esopianeti, che misurerà la dimensione dei due pianeti con precisione ancora maggiore. Combinando le informazioni su massa e dimensione, sarà possibile studiare la densità e dunque la composizione di questi pianeti, aggiungendo nuovi pezzi al grande puzzle sulle teorie di formazione ed evoluzione planetaria.

Lo studio è in pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics nell’articolo The GAPS Programme at TNG XXVIII — A pair of hot-Neptunes orbiting the young star TOI-942 di Ilaria Carleo, Silvano Desidera, Domenico Nardiello, Luca Malavolta, Antonino F. Lanza, John Livingston, Daniele Locci, Francesco Marzari, Sergio Messina, Diego Turrini, Martina Baratella, Francesco Borsa, Valentina D’Orazi, Valerio Nascimbeni, Matteo Pinamonti, Monica Rainer, Eleonora Alei, Andrea Bignamini, Raffaele Gratton, Giuseppina Micela, Marco Montalto, Alessandro Sozzetti, Vito Squicciarini, Laura Affer, Serena Benatti, Katia Biazzo, Aldo S. Bonomo, Riccardo Claudi, Rosario Cosentino, Elvira Covino, Mario Damasso, Massimiliano Esposito, Aldo Fiorenzano, Giuseppe Frustagli, Paolo Giacobbe, Avet Harutyunyan, Giuseppe Leto, Antonio Magazzú, Antonio Maggio, Giovanni Mainella, Jesus Maldonado, Matthias Mallonn, Luigi Mancini, Emilio Molinari, Marco Molinaro, Isabella Pagano, Marco Pedani, Giampaolo Piotto, Ennio Poretti, Seth Redfield, Gaetano Scandariato