ALMA: Nuovi Indizi Sull'Evoluzione del Sistema Planetario Fomalhaut

Questa è una nuova immagine dell'anello di polvere intorno alla brillante stella Fomalhaut, ottenuta con ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). La figura sottostante, in blu, mostra un'immagine ottenuta in precedenza dall'HST (Hubble Space Telescope), il telescopio spaziale della NASA/ESA. La nuova immagine di ALMA ha permesso agli astronomi di compiere un significativo passo avanti nella comprensione dei sistemi planetari e ha fornito preziosi indizi su come questi sistemi si formino ed evolvano. Si noti che ALMA finora ha osservato solo una parte dell'anello. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Immagine in luce ottica: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Un nuovo osservatorio ancora in fase di costruzione ha permesso agli astronomi di compiere un progresso importante nell'interpretazione di un sistema planetario vicino e ha fornito indizi preziosi su come questi sistemi si formino ed evolvano. Alcuni astronomi hanno scoperto, utilizzando ALMA, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, che i pianeti in orbita intorno alla stella Fomalhaut devono essere molto più piccoli di quanto si pensasse inizialmente. Questo è il primo risultato scientifico di ALMA, che viene pubblicato nel primo periodo di osservazioni aperte agli astronomi di tutto il mondo.
 
La scoperta è stata resa possibile dalle immagini eccezionalmente nitide ottenute con ALMA di un disco o anello di polvere in orbita intorno a Fomalhaut, che si trova a circa 25 anni luce dalla Terra, e aiuta a risolvere una controversia sorta tra i primi osservatori di questo sistema. Le immagini di ALMA mostrano che sia il bordo interno che quello esterno di questo sottile disco di polvere sono netti, ben delineati. Questo fatto, insieme con simulazioni al computer, ha portato gli scienziati a concludere che le particelle di polvere nel disco vi sono trattenute dall'effetto gravitazionale di due pianeti - uno più vicino del disco e l'altro più lontano, rispetto alla stella.

L'azione dei pianeti o delle lune che mantiene netti i bordi dell'anello di polvere è stato vista per la prima volta quando la sonda Voyager ha sorvolato Saturno e ha ripreso immagini dettagliate del sistema di anelli di quel pianeta. Un anello del pianeta Urano è ben confinato dalle lune Cordelia e Ofelia, in modo del tutto analogo a quello proposto dagli osservatori di ALMA per l'anello intorno a Fomalhaut. Le lune che confinano gli anelli del pianeta sono soprannominate "satelliti pastore".

Le lune o pianeti che confinano gli anelli di polvere sfruttano l'effetto della gravità. Un pianeta all'interno dell'anello orbita più rapidamente delle particelle dell'anello. La sua gravità aggiunge energia alle particelle, spingendole verso l'esterno. Un pianeta all'esterno dell'anello si muove più lentamente delle particelle di polvere e la sua gravità diminuisce l'energia delle particelle, facendole cadere di poco verso l'interno.

Mappa stellare che mostra la posizione nel cielo della stella Fomalhaut. Credit: ESO

I loro calcoli mostrano anche la probabile dimensione dei pianeti - più grandi di Marte ma non più grandi di qualche volta le dimensioni della Terra. Queste dimensioni sono molto più piccole di quelle che gli astronomi avevano finora ipotizzato. Nel 2008, un'immagine del telescopio spaziale HST (Hubble Space Telescope) della NASA/ESA aveva mostrato il pianeta interno, che allora si pensava fosse più grande di Saturno, il secondo pianeta del sistema solare per dimensione. Osservazioni successive con telescopi infrarossi però non erano state in grado di rivelare di nuovo il pianeta.

Questa panoramica mostra il cielo attorno alla brillante stella Fomalhaut, nella costellazione del Pesce Australe. È stata creata da fotografie ottenute con la digitalizzazione delle immagini del cielo (Digitized Sky Survey 2). Fomalhaut si trova a circa 25 anni luce della Terra ed è circondata da un enorme disco di polvere. Crediti: NASA, ESA, and the Digitized Sky Survey 2. Davide De Martin (ESA/Hubble)

Questa osservazione mancata ha portato alcuni astronomi a dubitare dell'esistenza del pianeta nell'immagine di HST. Inoltre, l'immagine in luce visibile rivelava grani di polvere molto piccoli, che vengono spinti verso l'esterno dalla radiazione della stella, rendendo così più imprecisa la struttura del disco di polvere. Le osservazioni di ALMA, a lunghezze d'onda maggiori di quelle della luce visibile, tracciano grani di polvere di dimensioni maggiori -- circa un millimetro di diametro -- che non vengono spostati dalla radiazione della stella. Essi mostrano chiaramente i bordi netti del disco e la struttura ad anello, segnalando l'effetto gravitazionale dei due pianeti.

"Combinando le osservazioni di ALMA dell'anello con modelli numerici possiamo porre limiti molto stretti alla massa e all'orbita di un qualsiasi pianeta nelle vicinanze dell'anello", ha detto Aaron Boley (Sagan Fellow presso la University of Florida, USA), a capo della ricerca. "Le masse di questi pianeti devono essere piccole: in caso contrario i pianeti distruggerebbero l'anello", ha aggiunto, affermando anche che le piccole dimensioni dei pianeti spiegano perchè le precedenti osservazioni infrarosse non erano state in grado di individuarli.

La ricerca effettuata con ALMA mostra che l'anello è largo circa 16 volte la distanza tra Terra e Sole ed è spesso un settimo della sua larghezza. "L'anello è ancora più sottile e stretto di quanto si pensasse prima", ha detto Matthew Paybe, anch'egli della University of Florida.

Le particelle dell'anello di polvere sono trattenute all'interno dall'interazione gravitazionale con i pianeti. Il pianeta interno, che si muove più velocemente, trasferisce energia alle particelle di polvere, facendole muovere verso l'esterno, verso il cuore dell'anello. Il pianeta esterno, che si muove più lentamente, sottrae energia alle particelle, facendole cadere su un'orbita leggermente più interna. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/B. Saxton

L'anello dista dalla stella circa 140 volte la distanza Terra-Sole. Nel nostro sistema solare, Plutone è circa 40 volte più distante dal Sole della Terra. "A causa delle piccole dimensioni dei pianeti vicino a questo anello e della loro grande distanza dalla stella madre, sono tra i pianeti più freddi mai trovati in orbita intorno ad una stella normale", ha aggiunto Aaron Boley.

Gli astronomi hanno osservato il sistema di Fomalhaut nel settembre e nell'ottobre 2011, quando solo un quarto delle 66 antenne di ALMA erano in funzione. Quando la costruzione della schiera di antenne sarà completata, l'anno prossimo, l'intero sistema sarà molto più potente. Anche in questa fase "Early Science", comunque, ALMA è stato in grado di individuare la struttura rivelatrice che aveva eluso in precedenza gli osservatori nella banda millimetrica.

"ALMA è ancora in costruzione ma è già il telescopio più potente nel suo genere. È solo l'inizio di una nuova era nello studio della formazione di dischi e pianeti intorno ad altre stelle", conclude l'astronomo dell'ESO e membro dell'equipe Bill Dent (ALMA, Cile).

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