Durante una pausa dall’osservazione dei pianeti intorno ad altre stelle, la missione CHaracterising ExOPlanet Satellite (Cheops) dell’Agenzia Spaziale Europea ha osservato un pianeta nano nel nostro Sistema Solare e ha dato un contributo decisivo alla scoperta di un denso anello di materiale intorno ad esso. Il pianeta nano è conosciuto come Quaoar. La presenza di un anello ad una distanza di quasi 7 volte e mezzo il raggio di Quaoar, rappresenta un mistero da risolvere per gli astronomi: perché questo materiale non si è fuso in una piccola luna?
Come osservare oggetti distanti nel Sistema Solare
L’anello è stato scoperto attraverso una serie di osservazioni avvenute tra il 2018 e il 2021. Utilizzando una serie di telescopi terrestri e il telescopio spaziale Cheops, gli astronomi hanno osservato Quaoar mentre passava di fronte a una successione di stelle lontane, bloccando brevemente la loro luce durante il transito. Tale evento è noto come occultazione. Osservare la diminuzione della luce della stella occultata fornisce informazioni sulle dimensioni e sulla forma dell’oggetto in transito e può rivelare se ha un’atmosfera o meno. In questo caso, cali di luminosità più piccoli prima e dopo l’occultazione principale hanno tradito la presenza di materiale in orbita attorno a Quaoar.
Quaoar fa parte di un gruppo di piccoli mondi lontani noti come oggetti transnettuniani (TNO): ne sono noti circa 3000. Come suggerisce il nome, i TNO si trovano nelle zone esterne del Sistema Solare, oltre l’orbita del pianeta Nettuno. I più grandi dei TNO sono Plutone ed Eris. Con un raggio stimato di 555 km, Quaoar si colloca al 7° posto nella lista delle dimensioni, ed attorno ad esso orbita una piccola luna chiamata Weywot, di circa 80 km di raggio.
Studiare questi pianeti nani è difficile a causa delle loro ridotte dimensioni e distanze estreme. Quaoar orbita attorno al Sole a quasi 44 volte la distanza Sole-Terra. Quindi le occultazioni sono strumenti particolarmente preziosi. Fino a poco tempo fa, tuttavia, era difficile prevedere esattamente quando e dove si sarebbero verificate.
Perché si verifichi un’occultazione, l’allineamento tra l’oggetto in transito (qui il TNO), la stella e il telescopio osservativo deve essere estremamente preciso. In passato, era quasi impossibile soddisfare i severi requisiti di precisione per essere certi di vedere un evento. Tuttavia, per perseguire questo obiettivo è stato creato il progetto Lucky Star del Consiglio europeo della ricerca, coordinato da Bruno Sicardy, Sorbonne University & Paris Observatory – PSL (LESIA), per prevedere le future occultazioni da parte dei TNO e per coordinare l’osservazione di questi eventi con osservatori professionali e amatoriali di tutto il mondo.
Allineamento preciso
Recentemente, il numero di occultazioni stellari osservate è aumentato. In gran parte, ciò è dovuto al contributo dei dati della missione di mappatura stellare Gaia dell’ESA. Il veicolo spaziale ha fornito una precisione così sorprendente delle posizioni stellari che le previsioni fatte dal team di Lucky Star sono diventate molto più certe. Una delle persone coinvolte nel progetto Lucky Star è Isabella Pagano dell’Osservatorio Astrofisico dell’INAF di Catania, e membro del Cheops Board. Isabella è stata contattata da Kate Isaak, Project Scientist dell’ESA per la missione Cheops, che era curiosa di sapere se il telescopio spaziale sarebbe stato in grado di catturare anche un’occultazione. “Ero un po’ scettica sulla possibilità di farlo con CHEOPS“, ha ammesso Isabella, “ma abbiamo studiato la fattibilità“.
Il problema principale era che la traiettoria del satellite può essere leggermente modificata a causa della resistenza nelle parti superiori dell’atmosfera terrestre. Ciò è dovuto all’imprevedibile attività solare che può colpire il nostro pianeta e “gonfiare” la sua atmosfera.
In effetti, la prima volta che il team ha tentato di osservare un’occultazione con Cheops, che coinvolgeva Plutone, la previsione non era abbastanza accurata e non è stato possibile osservare alcuna occultazione.
L’allineamento è stato più favorevole al secondo tentativo, tuttavia, quando è stato osservato Quaoar. In tal modo, hanno fatto il primo rilevamento in assoluto di un’occultazione stellare da parte di un oggetto transnettuniano dallo Spazio.
L’anello
“I dati di Cheops sono sorprendenti per il rapporto segnale-rumore“, afferma Isabella. Si tratta di una misura di quanto sia forte il segnale rilevato rispetto al rumore casuale nel sistema. Cheops è eccezionale in questo senso, perché il telescopio guarda attraverso gli effetti distorsivi della bassa atmosfera terrestre. Questa chiarezza si è rivelata decisiva nel riconoscere il sistema di anelli di Quaoar perché ha permesso ai ricercatori di eliminare la possibilità che le diminuzioni di luce fossero causate da un effetto spurio nell’atmosfera terrestre. Combinando diverse rilevazioni secondarie, catturate con telescopi sulla Terra, è stato possibile essere certi che fossero causate da un sistema di anelli che circondava Quaoar.
Bruno Morgado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasile, ha guidato l’indagine: ha combinato i dati di Cheops con quelli di grandi osservatori professionali di tutto il mondo e di citizen scientist dilettanti, che avevano tutti osservato varie stelle occultate da Quaoar negli ultimi anni. “Quando abbiamo messo tutto insieme, abbiamo visto cali di luminosità che non erano causati da Quaoar, ma che indicavano la presenza di materiale in un’orbita circolare attorno ad esso. Nel momento in cui l’abbiamo visto abbiamo detto: ‘Ok, stiamo vedendo un anello intorno a Quaoar’,” ha affermato l’esperto.
Quando si tratta di sistemi di anelli, il pianeta gigante Saturno detiene il primato: vanta una collezione di polvere e piccole lune che circondano l’equatore del pianeta. Nonostante sia uno spettacolo osservativo impressionante, la massa del sistema di anelli è piuttosto piccola: se messa assieme rappresenterebbe tra un terzo e la metà della massa della luna di Saturno Mimas, o circa la metà della massa della piattaforma di ghiaccio antartica della Terra.
L’anello di Quaoar è molto più piccolo di quello di Saturno ma non per questo meno intrigante. Non è l’unico sistema di anelli conosciuto intorno a un pianeta nano o minore. Altri due – intorno a Chariklo e Haumea – sono stati rilevati attraverso osservazioni a terra. Ciò che rende unico l’anello di Quaoar, tuttavia, è dove si trova rispetto a Quaoar stesso.
Il limite di Roche
Qualsiasi oggetto celeste con un campo gravitazionale apprezzabile avrà un limite entro il quale un oggetto celeste in avvicinamento sarà fatto a pezzi. Questo è noto come limite di Roche. Si ritiene che esistano sistemi di anelli densi all’interno del limite di Roche, come nel caso di Saturno, Chariklo e Haumea. “Quindi, ciò che è così intrigante di questa scoperta intorno a Quaoar è che l’anello di materiale è molto più lontano del limite di Roche,” ha affermato Giovanni Bruno, dell’Osservatorio Astrofisico dell’INAF di Catania.
Questo è un mistero perché, secondo il pensiero convenzionale, gli anelli oltre il limite di Roche sono destinati a fondersi in una piccola luna in pochi decenni. “Come risultato delle nostre osservazioni, la nozione classica che gli anelli densi sopravvivono solo all’interno del limite di Roche di un corpo planetario deve essere completamente rivista“, ha sottolineato l’esperto.
I primi risultati suggeriscono che le temperature gelide di Quaoar potrebbero svolgere un ruolo nell’impedire alle particelle ghiacciate di attaccarsi tra loro, ma sono necessarie ulteriori indagini.
“Le osservazioni di Cheops hanno giocato un ruolo chiave nello stabilire la presenza di un anello attorno a Quaoar, in un’applicazione di fotometria ad alta precisione e alta cadenza che va oltre la più tipica indagine degli esopianeti della missione,” ha affermato Kate Isaac.
Mentre i teorici si mettono al lavoro per scoprire come gli anelli di Quaoar possono sopravvivere, il progetto Lucky Star continuerà a osservare Quaoar e anche altri TNO mentre occultano stelle lontane per misurare le loro caratteristiche fisiche e vedere quanti altri hanno sistemi di anelli. Cheops tornerà invece alla sua missione originale per studiare gli esopianeti vicini.
