Gli astronomi riportano oggi la scoperta di un sistema planetario fuori inclinazione, dove le orbite di due pianeti sono ad un angolo ripido l’una rispetto all’altra. Questa sorprendente scoperta avrà un impatto sulle teorie di come si evolvono i sistemi a più pianeti, e dimostra che alcuni eventi violenti possono accadere per interrompere le orbite dei pianeti dopo la formazione di un sistema planetario, dicono i ricercatori.
“I risultati significano che i futuri studi dei sistemi esoplanetari saranno più complicati. Gli astronomi non possono più dare per scontato che tutti i pianeti orbitino intorno alla loro stella madre in un unico piano”, dice Barbara McArthur dell’Università del Texas di Austin, McDonald Observatory.
McArthur e il suo team hanno usato i dati del telescopio spaziale Hubble, del gigantesco telescopio Hobby-Eberly e di altri telescopi a terra combinati con un’ampia modellazione per portare alla luce una valanga di informazioni sul sistema planetario che circonda la vicina stella Upsilon Andromedae.
McArthur ha riferito questi risultati in una conferenza stampa oggi al 216° incontro dell’American Astronomical Society a Miami, insieme al suo collaboratore Fritz Benedict, anche lui del McDonald Observatory, e al membro del team Rory Barnes dell’Università di Washington. Il lavoro sarà anche pubblicato nell’edizione del 1 giugno dell’Astrophysical Journal.
Per poco più di un decennio, gli astronomi hanno saputo che tre pianeti tipo Giove orbitano intorno alla stella giallo-bianca Upsilon Andromedae. Simile al nostro Sole nelle sue proprietà, Upsilon Andromedae si trova a circa 44 anni luce di distanza. È un po’ più giovane, più massiccio e più luminoso del Sole.
Combinando tipi di dati fondamentalmente diversi, ma complementari, daHubble e telescopi terrestri, il team di McArthur ha determinato le masse esatte di due dei tre pianeti conosciuti, Upsilon Andromedae c e d. Molto più sorprendente, però, è la loro scoperta che non tutti i pianeti orbitano attorno a questa stella nello stesso piano. Le orbite dei pianeti c e d sono inclinate di 30 gradi l’una rispetto all’altra. Questa ricerca segna la prima volta che è stata misurata l'”inclinazione reciproca” di due pianeti che orbitano intorno ad un’altra stella. E, il team ha scoperto indizi che un quarto pianeta, e, orbita intorno alla stella molto più lontano.
“Molto probabilmente Upsilon Andromedae ha avuto lo stesso processo di formazione del nostro sistema solare, anche se ci potrebbero essere state differenze nella tarda formazione che hanno seminato questa evoluzione divergente”, ha detto McArthur. “La premessa dell’evoluzione planetaria finora è stata che i sistemi planetari si formano nel disco e rimangono relativamente complanari, come il nostro sistema, ma ora abbiamo misurato un angolo significativo tra questi pianeti che indica che questo non è sempre il caso.”

Fino ad ora la saggezza convenzionale è stata che una grande nube di gas collassa per formare una stella, e i pianeti sono un sottoprodotto naturale del materiale residuo che forma un disco. Nel nostro sistema solare, c’è una traccia di quell’evento di creazione perché tutti gli otto principali pianeti orbitano quasi sullo stesso piano. I pianeti nani più esterni, come Plutone, hanno orbite inclinate, ma queste sono state modificate dalla gravità di Nettuno e non sono inserite in profondità nel campo gravitazionale del Sole.
Diversi scenari gravitazionali potrebbero essere responsabili delle orbite sorprendentemente inclinate di Upsilon Andromedae. “Le possibilità includono interazioni che si verificano dalla migrazione verso l’interno dei pianeti, l’espulsione di altri pianeti dal sistema attraverso la dispersione pianeta-pianeti, o la perturbazione dalla stella compagna binaria della stella madre, Upsilon Andromedae B”, ha detto McArthur.
Barnes, un esperto nella dinamica dei sistemi planetari extrasolari, ha aggiunto: “La nostra analisi dinamica mostra che le orbite inclinate probabilmente derivano dall’espulsione di un membro originario del sistema planetario. Tuttavia, non sappiamo se la lontana compagna stellare abbia forzato quell’espulsione, o se il sistema planetario stesso si sia formato in modo tale che alcuni pianeti originali siano stati espulsi. Inoltre, troviamo che la configurazione riveduta si trova ancora proprio sul precipizio dell’instabilità: i pianeti si tirano l’un l’altro così fortemente che sono quasi in grado di buttarsi a vicenda fuori dal sistema.”
I due diversi tipi di dati combinati in questa ricerca sono stati l’astrometria dal telescopio spaziale Hubble e la velocità radiale dai telescopi terrestri.
L’astrometria è la misura delle posizioni e dei movimenti dei corpi celesti. Il gruppo di McArthur ha usato uno dei sensori di guida fine (FGS) sul telescopio Hubble per questo compito. I FGS sono così precisi che possono misurare la larghezza di un quarto di dollaro a Denver dal punto di vista di Miami. È questa precisione che è stata usata per tracciare il movimento della stella nel cielo causato dai pianeti che la circondano e che non si vedono.
La velocità radiale misura il movimento della stella nel cielo verso e lontano dalla Terra. Queste misurazioni sono state effettuate nel corso di un periodo di 14 anni utilizzando telescopi a terra, tra cui due presso l’Osservatorio McDonald e altri presso gli Osservatori Lick, Haute-Provence e Whipple. La velocità radiale fornisce una lunga linea di base per l’osservazione dell’elevazione, che ha permesso alle osservazioni Hubble di più breve durata, ma più precise e complete, di definire meglio i movimenti orbitali.
Il fatto che il team abbia determinato le inclinazioni orbitali dei pianeti cand d ha permesso loro di calcolare le masse esatte dei due pianeti. Queste nuove informazioni ci hanno detto che la nostra opinione su quale pianeta sia più pesante deve essere cambiata. Le masse minime precedenti per i pianeti date dagli studi sulla velocità radiale ponevano la massa minima per il pianeta c a 2 Giove e per il pianeta d a 4 Giove. Le nuove masse esatte, trovate dall’astrometria, sono 14 Jupiter per il pianeta c e 10 Jupiter per il pianeta d.
“I dati Hubble mostrano che la velocità radiale non è tutta la storia”, ha detto Benedict. “Il fatto che i pianeti si siano capovolti in massa è stato davvero carino”.
I 14 anni di informazioni sulla velocità radiale compilati dal team hanno scoperto indizi che un quarto pianeta di lungo periodo potrebbe orbitare oltre ai tre ora conosciuti. Ci sono solo accenni su quel pianeta perché è così lontano che il segnale che crea non rivela ancora la curvatura di un’orbita. Un altro pezzo mancante del puzzle è l’inclinazione del pianeta più piccolo, b, che richiederebbe un’astrometria di precisione 1.000 volte superiore a quella di Hubble, un obiettivo raggiungibile con una missione spaziale ottimizzata per l’interferometria.
I dati Hubble del team hanno anche confermato lo status di stella abinaria di Upsilon Andromedae. La stella compagna è una nana rossa meno massiccia e molto più debole del Sole.
“Non abbiamo idea di quale sia la sua orbita”, ha detto Benedict. “Potrebbe essere molto eccentrica. Forse si avvicina molto di tanto in tanto. Potrebbe impiegare 10.000 anni”. Un passaggio così ravvicinato della stella secondaria potrebbe perturbare gravitazionalmente le orbite dei pianeti.