Il Premio Nobel per la Fisica 2019 è stato assegnato per “contributi alla nostra comprensione dell’evoluzione dell’universo e del posto della Terra nel cosmo”. Metà del premio è andato al cosmologo Jim Peebles, e l’altra metà è stata assegnata congiuntamente a Michel Mayor e al mio collega Didier Queloz per la prima scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella simile al sole. Come qualcuno che ha passato un decennio a studiare gli esopianeti, so che questo premio segna un riconoscimento a lungo atteso di una delle più grandi rivoluzioni dell’astronomia moderna, una che ha radicalmente cambiato la nostra percezione del nostro posto nell’universo.
Un esopianeta, o pianeta extrasolare, è un pianeta che orbita intorno a una stella oltre il nostro sistema solare. Per migliaia di anni, in molte civiltà, gli esseri umani si sono chiesti se esistessero mondi oltre la Terra e il sistema solare. È umiliante rendersi conto che questa domanda ha avuto una risposta solo 24 anni fa.
Nel 1995, Mayor e Queloz scoprirono un esopianeta gigante che orbitava intorno a una stella simile al sole, 51 Pegasi. Il pianeta, noto come 51 Peg b, aveva una massa simile a quella di Giove ma era 100 volte più vicino alla sua stella ospite, il che gli dava una temperatura di oltre 1.000℃. La scoperta è stata radicale sotto molti aspetti, non ultimo perché era del tutto diverso dai pianeti del nostro sistema solare e contraddiceva le teorie sulla formazione ed evoluzione planetaria.
Nel nostro sistema solare, i pianeti giganti come Giove e Saturno sono da cinque a dieci volte più lontani dal sole della Terra e hanno temperature inferiori a -100℃. Si pensava che Giove e Saturno si fossero formati in un disco gassoso intorno al sole nascente accumulando gas e ghiaccio, forse anche più lontano dal sole di quanto non siano ora. La scoperta di un “Giove caldo” situato così vicino alla sua stella ha fornito il primo indizio che i pianeti potrebbero formarsi in una serie estremamente varia di altri modi al di fuori del nostro sistema solare.
La scoperta di 51 Peg b è stata il risultato sia dell’abilità tecnologica che della serendipità. In primo luogo, hanno avuto accesso a quello che all’epoca era uno degli strumenti più accurati al mondo per misurare le lunghezze d’onda della luce di altre stelle, lo spettrografo ELODIE presso l’Osservatorio di Alta Provenza nel sud della Francia. Ma il tempo necessario a raccogliere le prove per dimostrare l’esistenza di un esopianeta dipende dalla sua massa, dalla sua distanza dalla stella e da quanto tempo impiega a completare un’orbita.
Le teorie esistenti e il modello del nostro sistema solare hanno fatto sì che gli scienziati non si aspettassero di trovare grandi pianeti con orbite brevi che potessero essere trovati rapidamente. Quindi nessuno li cercava attivamente all’epoca. Mayor e Queloz stavano conducendo quello che pensavano sarebbe stato un programma a lungo termine che avrebbe potuto richiedere anni prima di trovare un pianeta intorno ad un’altra stella. Ma, entro un anno circa dall’inizio delle osservazioni, scoprirono i primi segni che le teorie planetarie esistenti erano incomplete.
La loro scoperta avvenne utilizzando una tecnica nota come metodo della velocità radiale. Quando un pianeta orbita intorno a una stella, anche la stella si muove in un’orbita simile, ma molto più piccola, intorno al centro di massa dell’intero sistema. In altre parole, l’attrazione gravitazionale del pianeta sulla stella la fa oscillare intorno a un punto tra di loro.
A causa di questo movimento, la luce della stella vista dalla Terra cambia, in quello che è noto come spostamento Doppler. Quando la stella si muove verso un osservatore, la sua luce ha lunghezze d’onda più piccole di quando la stella è ferma, facendo apparire la luce più blu. Quando la stella si allontana dall’osservatore, la luce si sposta su lunghezze d’onda più lunghe e più rosse.
Rilevare periodicamente tali spostamenti di lunghezza d’onda indica che un altro oggetto, in questo caso un pianeta, sta orbitando attorno alla stella. E misurandoli nel tempo, puoi calcolare la velocità con cui la stella si sta muovendo verso o lontano da te (la velocità radiale) e quanto dura l’orbita del pianeta. La velocità radiale massima ti dà una misura della massa del pianeta perché i pianeti più grandi situati più vicino alla stella fanno muovere la stella più velocemente.
Il movimento del sole dovuto a Giove ha una velocità radiale massima di 13 m/s, e l’orbita del pianeta dura 12 anni. Questo significa che per determinare con precisione la massa e l’orbita completa di un pianeta simile a Giove intorno a una stella simile al sole ci vorrebbero 12 anni usando uno spettrografo di misurazione della luce preciso a pochi m/s. Trovare un pianeta simile alla Terra intorno a un sole sarebbe ancora più difficile perché la velocità radiale massima sarebbe di soli 9 cm/s.
Nei primi anni ’90, i migliori spettrografi sulla Terra erano capaci di precisioni di oltre 10 m/s, il che significava che non erano in grado di rilevare pianeti così grandi, lenti e lontani da una stella come Giove. Ma 51 Peg b era un pianeta delle dimensioni di Giove 100 volte più vicino alla sua stella, con un’orbita di soli 4,2 giorni invece di 12 anni. Questo significa che la sua velocità radiale massima era significativamente più alta, quasi 60 m/s, ben all’interno della gamma dello spettrografo di Mayor e Queloz.
Dopo aver trovato i primi segni di un pianeta con un’orbita così breve, i due scienziati hanno fatto ulteriori osservazioni e analisi dettagliate che hanno confermato le proprietà di quello che ora conosciamo come il Giove caldo, 51 Peg b. Nonostante l’intenso esame a cui sono stati sottoposti i risultati, le loro scoperte sono state rapidamente confermate da altri team con altri strumenti.
La rivoluzionaria scoperta di 51 Peg b da parte di Mayor e Queloz ha scatenato una valanga di osservazioni astronomiche nei due decenni successivi, rivelando l’ubiquità e la diversità degli esopianeti che conosciamo oggi. Oggi si conoscono più di 4.000 esopianeti, che coprono l’intera gamma di proprietà planetarie, da Giove caldo a pianeti di dimensioni terrestri nelle zone abitabili delle loro stelle ospiti. Ciò significa che ci sono pianeti che sono probabilmente alle temperature giuste per l’esistenza di acqua liquida sulle loro superfici, e per la vita come la conosciamo per evolvere.