Planetologia
Extrasolare
Caratteristiche dei pianeti
Extrasolari
R.U. Claudi
Censimento dei Pianeti Extrasolari
I pianeti extrasolari noti a Marzo 2009 sono
344:
Vr 272 Sistemi
318 pianeti
33 Sistemi multipli
(Transiti 58 Pianeti)
μ-lenti 8 pianeti
Imm. Diretta 11 pianeti
Pulsar 4 pianeti
Distribuzione delle Distanze Orbitali
Pianeti Giganti all’interno della “Snow Line” (Migrazione?)
Bias osservativa verso i lunghi periodi (Ampiezza in Vr minore e limite
temporale delle survey)
Possibile addensamento di pianeti con P=3-5 days, minima frequenza di
pianeti per P=10-100 days
Distribuzione dei Periodi Obitali
Assi Orbitali ed Eccentricita’
I pianeti Extrasolari, al contrario di quelli del Sistema Solare,
sono in orbite tipicamente eccentriche.
La distribuzione delle eccentricita’ ricorda quella delle stelle
binarie, ma con alcune differenze (sub set a bassa e per a>1 AU)
FUNZIONE DI MASSA
La funzione di massa dei compagni sub stellari e’ una forte
indicazione che si sta’ trattando con oggetti che si formano
in modo differente rispetto alle compagne delle stelle.
Relazione tra Massa ed eccentricità
Proiettate sulla sfera celeste, le stelle con pianeti appaiono
in tutte le direzioni.
La presenza di pianeti
potrebbe essere una regola
per moltissime stelle.
Stelle - Brown Dwarfs – Pianeti:
DEFINIZIONI
Stelle / Brown dwarfs:
Una stella e’ in grado di bruciare H nel nucleo
una brown dwarf non sara’ mai in grado di bruciare H, ma solo Li
e D.
Separazione in massa: 0.08 M (80 MJ)
BROWN DWARFS+PIANETI: Oggetti sub stellari
Brown Dwarfs/Pianeti
Definizione basata sul meccanismo di formazione (brown dwarf
dalla frammentazione di nube protostellare; pianeti in un disco
circumstellare)
Definizione basata sulla massa: limite definito dal bruciamento
del deuterio (13 MJ):
brown dwarfs deuterium burning;
pianeti no deuterium burning
...Ma non e’ cosi’ semplice!
In alcuni casi meccanismi di formazione non possono essere determinati:
1) Parametri orbitali simili alle stelle binarie
2)Le osservazioni non permettono di osservare direttamente la presenza
di un core roccioso
3) Disco originale disperso velocemente (10 Myr) (ma in diverse stelle si
osserva un debris disk)
4) Pianeti multipli: osservati frequentemente; non accade per le brown
dwarfs
5)
Mancanza di conoscenze sulla formazione dei pianeti (e.g. Core
accretion vs. Disk instability)
In molti casi non e’ possibile determinare la storia della
formazione degli oggetti substellari osservati.
Alcuni casi speciali
1) HD 168443: 2 compagni con M=8 and 17
MJ entro 3 AU
2)  Orionis cluster (eta’ < 5 Myr): oggetto
free floating con massa < 13 MJ
Pianeti con massa > 13 MJ e brown dwarfs con
massa < 13 MJ
Sovrapposizione in massa tra Pianeti e Brown
Dwarfs
POSIZIONE dello IAU WORKING GROUP SUI PIANETI
EXTRASOLARI (WGESP)
No ad una definizione assoluta, ma una definizione operativa:
1) Objects with true masses below the limiting mass for thermonuclear
fusion of deuterium (currently calculated to be 13 Jupiter masses for
objects of solar metallicity) that orbit stars or stellar remnants are
"planets" (no matter how they formed). The minimum mass/size
required for an extrasolar object to be considered a planet should be
the same as that used in our Solar System.
2) Substellar objects with true masses above the limiting mass for
thermonuclear fusion of deuterium are "brown dwarfs", no matter how
they formed nor where they are located.
3) Free-floating objects in young star clusters with masses below the
limiting mass for thermonuclear fusion of deuterium are not "planets",
but are "sub-brown dwarfs" (or whatever name is most appropriate).
FREQUENZA DI PIANETI INTORNO A STELLE DI TIPO
SOLARE
Diverse stime a seconda della strategia di osservazione
Lineweaver & Grether 2003: 9% di stelle di tipo solare
hanno pianeti entro le 5.5 UA con masse minima di 0.315 MJ
FREQUENZA DI ANOLOGHI DEL SISTEMA SOLARE
Gli analoghi del Sistema Solare sono Target difficili per
le survey di velocità radiali a causa della bassa ampiezza
della curva di velocità ed i lunghi periodi orbitali
L’esplorazione delle regioni circumstellari intorno a
stelle giovani di tipo solare daranno conto dei limiti di
distanza per la presenza di pianeti giganti
THE PLANET – METALLICITY CONNECTION
 N /N

p( planet)  0.03 Fe H 
N Fe /N H Sun 
2
(Fisher & Valenti 2005)

Le stelle con Pianeti sono ricche di metalli
Causa o effetto?
Inquinamento Planetario
La cattura di materiale
(ricco di metalli) planetario
può alterare la
composizione chimica
superficiale della stella
Il materiale ricco di metalli
accresciuto viene mescolato
nella zona convettiva della
stella
Le stelle giovani hanno zone
convettive maggiori
Gli eventi di accrescimento
durante le fasi di pre
sequenza principale non
lasciano alterazioni
chimiche osservabili
Murray et al. 2001
Metallicità e dimensione della zona convettiva
Se l’accrescimento esterno è
la causa dominante deve
esserci una correlazione fra la
metallicità e l’estensione della
zona convettiva. QUESTO
NON E’ OSSERVATO
•
Possono esserci eventi di
“pollution” planetaria, ma
probabilmente l’alta
metallicità è primordiale
L’alta metallicità sembra
favorire la formazione di
pianeti (o almeno la
migrazione di pianeti giganti
in orbite vicine alla stella
ospite)
PRESENZA DI PIANETI E MASSA
STELLARE
La maggior parte delle survey di velocità radiali osservano stelle di
tipi spettrali late F + G + early K dwarfs (masse 0.7-1.4 M)
C’è una possibile indicazione che la frequenza di pianeti aumenti con la
massa stellare, ma ha una bassa significatività.(effetti di selezione)
Estensione delle Survey a masse più grandi non è possibile per stelle
di MS (troppo poche righe spettrali, alte velocità di rotazione e raggi
troppo grandi per transiti)
Alcuni pianeti sono stati scoperti (velocità radiali) intorno a stelle
giganti evolute con M>1.4 M ma non si ha una statistica adeguata
Pianeti intorno a stelle di piccola massa: survey dedicate
2
pianeti scoperti intorno a GJ 876, 1 pianeta di piccola massa intorno
a GJ 436
Ci sono indicazioni di una minor frequenza di pianeti intorno alle nane
M (un fattore 5 rispetto alle stelle FGK, possono essere frequenti
pianeti con masse del tipo Nettuno)
PIANETI IN SISTEMI BINARI
Potrebbero avere differenti proprietà rispetto a quelli che
orbitano una stella singola
Stelle singole
Pianeti intorno a Binarie
Zucker & Mazeh 2002
Pianeti con grande massa in orbite vicine nei sistemi binari?
Una frequenza minore di pianeti nei sistemi binari ? (risultato
preliminare)
PROPRIETÀ DELLE BINARIE CON PIANETI
Il sistema binario con pianeta con
separazione minore è  Cep (a=12 AU)
PIANETI NEI SISTEMI BINARI
Perturbazioni durante la fase di formazione planetaria: sono
coinvolti molti processi dinamici
Perturbazioni in atto dopo la formazione: problema dinamico
Determinazione delle regioni di stabilità dinamica
Holman & Wiegert 1998: Equazioni generali che danno il
semiasse critico per la stabilità dinamica come funzione dei
parametri orbitali ed il rapporto delle masse per il caso di
pianeti in orbita circolare e complanare con la binaria
PIANETI CIRCUMBINARI
E’ noto che esistono dischi circumbinari, ma i pianeti
circumbinari sono difficili da trovare con le attuali tecniche
Ci sono survey fotometriche dedicate alla ricerca di pianeti
circumbinari intorno a binarie ad eclisse (e.g CM Dra)
Un pianeta circumbinario
intorno ad una pulsar
nell’ammasso globulare M4 ?
Prospettiva per survey di
immagine diretta intorno a
campioni di binarie vicine giovani
PIANETI NEGLI AMMASSI GLOBULARI
Importanti interazioni dinamiche sia durante la fase di
formazine che durante la fase successiva alla formazione
La radiazione UV emessa dalle stelle più massicce potrebbe
distruggere e/o erodere il disco protoplanetario
Ricerca di transiti con HST in 47 Tuc (Gilliland et al.
2000): I pianeti close-in planets in 47 Tuc sono
almeno un ordine di grandezza meno frequenti che
intorno alle stelle di campo
Cause Possibili : Bassa metallicità
Effetti Dinamici
Un Pianeta intorno ad una Pulsar in M4? PSR B1620-26 ha una Wd
molto vicina ed un compagno più lontano di massa planetaria (2.5 MJ) a
circa 23 UA (Pianeta Circumbinario)
Possibili meccanismi di formazione coinvolgono scambi di compagni
all’interno del nucleo denso dell’ammasso (il pianeta orbitava
originariamente una stella normale?)
PIANETI IN AMMASSI APERTI
Le interazioni dinamiche sono meno rilevanti che negli ammassi
globulari
Le Survey di velocità radiale hanno difficoltà per gli ammassi
vicini (Hyades, Pleiades) a causa dell’alta attività delle stelle
(stelle giovani)
Molte suvey di transiti ma fino ad ora con risultati nulli, comunque:
1/1500 stelle di MS potrebbero mostrare un transito dovuto ad un
pianeta gigante.
In un ammasso aperto tipico un risultato nullo non è significativo
Indizi sulla frequenza di pianeti in ammassi si possono avere:
1) Combinando i risultati di molti ammassi
2) Selezionando ammassi aperti super ricchi di metalli (frequenza
di pianeti maggiore di un fattore 5) per esempio NGC 6791,
NGC 6253
PIANETI ED EVOLUZIONE STELLARE
Come la stella evolve verso il ramo delle giganti i pianeti più
vicini alla stella sono “ingoiati” dalla stella centrale. Gli effetti
osservabili: alta rotazione (trasferimento di momento angolare)
con aumento dell’attività magnetica, della perdita di massa e
alta abbondanza di Litio
Perdita di massa dalla stella: orbita planetaria diventa più larga
Alcuni pianeti potrebbero migrare verso fuori e quindi salvarsi dalla
cattura (limite 1UA per una stella di 1 massa solare)
La presenza di pianeti è stata considerata anche per
spiegare le caratteristiche di altre fasi stellari: le
nebulose planetarie, i flash delle Mira etc.
PIANETI INTORNO AI REMNANTS STELLARI
L’allargamento delle orbite planetarie causato dalla perdita di massa
può rendere instabile il sistema planetario. Il sistema può diventare
dinamicamente giovane: distruzione delle risonanze, incontri planetari,
scattering gravitazionali, pesante fase di bombardamento (come nel
sistema solare primordiale)
Sistemi planetari intorno alle WHITE DWARFS possono essere
interessanti
Possono dare prospettive per le ricerche attraverso l’imaging diretto: le
WD sono meno luminose dei loro progenitori e il contrasto stella/pianeta ci
guadagna. Ci sono alcuni progetti
Alcuni pianeti sono stati scoperti intorno a PULSAR con la tecnica
del timing. Questi sono probabilmente pianeti di seconda generazione
formatesi dopo l’esplosione della supernova. Questo indica che il
meccanismo di formazione dei pianeti è un meccanismo robusto e che
funziona in diverse condizioni fisiche