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DALLA MISSIONE DELLA NASA ALLE OSSERVAZIONI UNITO: TOI-500, UN SISTEMA PLANETARIO DI QUATTRO PIANETI CON UN PROCESSO DI MIGRAZIONE PECULIARE

Il pianeta più vicino alla stella è molto simile alla Terra e ha un periodo orbitale di sole 13 ore. La sua orbita stretta può essere spiegata con un modello di migrazione “non violento”

TOI-500

È stata annunciata la scoperta di un sistema planetario non comune attorno alla stella TOI-500, composto da quattro pianeti di piccola massa, uno dei quali con periodo inferiore a un giorno, il cui processo di migrazione ed evoluzione può essere spiegato con uno scenario non violento. Fino ad oggi non era mai stato dimostrato che tale scenario potesse giustificare l’esistenza e l’architettura di sistemi planetari così peculiari. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Astronomy con il titolo “A low-eccentricity migration pathway for a 13-h-period Earth analogue in a four-planet system”, è stata guidata da Luisa Maria Serrano e Davide Gandolfi del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino e ha coinvolto un team internazionale di ricercatori europei, giapponesi, americani e cileni, di cui fanno anche parte Elisa Goffo ed Enrico Bellomo dello stesso Dipartimento.

Il pianeta più vicino alla stella, battezzato TOI-500b, è un cosiddetto Ultra-Short Period (USP) planet, in quanto il suo periodo orbitale è di appena 13 ore. È inoltre considerato un Earth analogue, ovvero un pianeta roccioso simile alla Terra, perché ha raggio, massa e densità confrontabili con quelli del nostro pianeta.

Tuttavia la sua vicinanza alla stella lo rende così caldo (circa 1350 °C) che la sua superficie è molto probabilmente un’immensa distesa di lava”, afferma Enrico Bellomo.

TOI-500b è stato inizialmente identificato dal telescopio spaziale della NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) che ricerca pianeti extrasolari utilizzando il metodo dei transiti.  Questo metodo permette di identificare i pianeti che periodicamente occultano la loro stella, causando una diminuzione della luce che riceviamo. Il pianeta è stato successivamente confermato grazie ad un’intensa campagna osservativa condotta da UniTo con lo spettrografo HARPS dell’Osservatorio Europeo Australe (ESO), nell’ambito del programma osservativo del Prof. Davide Gandolfi. I dati coprono un intero anno e la loro analisi, congiunta a quella dei dati TESS, ha consentito di misurare la massa, il raggio, e i parametri orbitali del pianeta interno.

Le stesse misure HARPS hanno anche permesso di scoprire 3 pianeti aggiuntivi, con periodi orbitali di 6.6, 26.2 e 61.3 giorni. TOI-500 è un sistema planetario straordinario per capire l’evoluzione dinamica dei pianeti”, dichiara il Prof. Gandolfi.

In aggiunta alla scoperta del sistema, la novità presentata dall’articolo appena pubblicato risiede nel processo di migrazione che avrebbe portato il sistema planetario alla configurazione attuale.

La comunità scientifica è unanimemente d’accordo che un pianeta come TOI-500b non si possa essere formato nella sua posizione attuale, ma che debba essersi originato in una zona più esterna del disco protoplanetario, per poi migrare molto più vicino alla sua stella”, afferma Elisa Goffo. Sul processo di migrazione c’è attualmente ancora molto dibattito, ma è opinione comune che solitamente avvenga in maniera violenta, un processo che comporta anche “urti” tra pianeti i quali, partendo da orbite non circolari e inclinate tra loro, migrano verso orbite più piccole sempre più circolari e coplanari.

Nell’articolo invece gli autori presentano delle simulazioni con cui dimostrano che i pianeti attorno a TOI-500 possono essersi formati su orbite quasi circolari, per poi migrare seguendo un processo cosiddetto secolare e quasi statico durato circa 2 miliardi di anni.

Si tratta di un modello di migrazione quieto in cui i pianeti, non urtandosi tra loro, si muovono lungo orbite che rimangono pressoché circolari e che sono via via sempre più piccole”, spiega la Dottoressa Serrano.

L’articolo dimostra l’importanza di associare alla scoperta di sistemi che ospitano pianeti di tipo USP simulazioni numeriche per testare i possibili processi migratori che possano averli portati alla configurazione corrente. “Acquisire dati per lunghi periodi di tempo permette di studiare l’architettura interna di sistemi analoghi a TOI-500 e di capire come i pianeti si siano assestati sulle loro orbite”, concludono Luisa Maria Serrano e Davide Gandolfi.

 

Testo e immagine dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Torino

Una rete di pulsar per “ascoltare” il brusio cosmico di fondo delle onde gravitazionali

Pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society uno studio internazionale che ha visto coinvolti i ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca e di INAF-Cagliari

pulsar delle Vele stelle a neutroni onde gravitazionali bassissima frequenza
Una rete di pulsar per “ascoltare” il brusio cosmico di fondo delle onde gravitazionali. Nella foto, la Pulsar delle Vele. Foto NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al., in pubblico dominio
Milano, 12 gennaio 2021 – I ricercatori del progetto International Pulsar Timing Array (IPTA), avvalendosi dei lavori e delle competenze di diverse collaborazioni di astrofisici di tutto il mondo – inclusi membri dell’Università di Milano-Bicocca e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) – hanno recentemente completato l’analisi del più completo archivio oggi disponibile di dati sui tempi di arrivo degli impulsi di 65 pulsar, ciò che resta di stelle di grande massa esplose come supernove. Questa accurata indagine sperimentale rafforza le indicazioni teoriche che suggerirebbero la presenza di un vero e proprio “brusio” cosmico, prodotto da onde gravitazionali di frequenze ultra basse (da miliardesimi a milionesimi di Hertz) emesse da una moltitudine di coppie di buchi neri super-massicci.

Le pulsar studiate dal team sono dette “al millisecondo” perché ruotano attorno al proprio asse centinaia di volte al secondo, emettendo stretti fasci di onde radio che ci appaiono come impulsi a causa del loro moto di rotazione. I tempi di arrivo di questi impulsi sono stati poi combinati in un unico insieme di dati, unendo le osservazioni indipendenti di tre collaborazioni internazionali: l’European Pulsar Timing Array (EPTA, a cui appartengono i ricercatori dell’INAF e dell’Università di Milano-Bicocca coinvolti nel progetto), il North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), e il Parkes Pulsar Timing Array in Australia (PPTA). Queste tre collaborazioni sono anche le fondatrici dell’IPTA.

L’indagine del team di IPTA su questi dati combinati ha messo in luce la presenza di un segnale a bassissima frequenza. «È un segnale molto emozionante! Anche se non abbiamo ancora prove definitive, potrebbe essere il primo passo verso la rivelazione del fondo cosmico di onde gravitazionali», dice Siyuan Chen, membro delle collaborazioni EPTA e NANOGrav, e il coordinatore per IPTA della pubblicazione dell’indagine in un articolo sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (“The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background” – DOI: 10.1093/mnras/stab3418).

Boris Goncharov del PPTA è comunque ancora cauto sulle possibili interpretazioni di tali segnali: «Stiamo anche esaminando a cos’altro potrebbe essere associato questo segnale. Per esempio, potrebbe magari derivare da un rumore presente nei dati delle singole pulsar che potrebbe essere stato modellato in modo improprio nelle nostre analisi».

Spiega Delphine Perrodin, dell’INAF di Cagliari, coautrice del lavoro: «Questo risultato conferma e rafforza notevolemente il graduale emergere di segnali simili che sono stati trovati negli ultimi anni nei singoli insiemi di dati, indipendentemente dalle varie collaborazioni partecipanti a IPTA. In particolare, nel quadro dell’esperimento EPTA, siamo abituati da oltre due decenni a combinare i dati provenienti da cinque diversi radiotelescopi europei, fra cui il Sardinia Radio Telescope (SRT, localizzato in Sardegna), e spesso ad osservare simultaneamente la stessa pulsar. Questa esperienza è stata molto utile nella creazione dell’attuale versione dei dati. Inoltre, all’interno di EPTA è stata sviluppata buona parte della metodologia utilizzata per capire le caratteristiche del possibile segnale nel corso dei molti anni di monitoraggio».

Sulla possibile origine del segnale lavora un altro coautore della pubblicazione, Alberto Sesana, che studia queste tematiche col suo team presso l’Università di Milano Bicocca: «Le caratteristiche di questo segnale comune tra le pulsar sono in ottimo accordo con quelle attese per il fondo cosmico di onde gravitazionali, frutto della sovrapposizione di molteplici segnali di onde gravitazionali emessi da una popolazione di buchi neri binari super-massicci. Si tratta di coppie di buchi neri di grande massa che orbitano spiraleggiando l’uno intorno all’altro, con ciò liberando grandi quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali».

La sovrapposizione di tutte queste onde, di frequenze leggermente diverse fra loro e provenienti da tutte le direzioni del cosmo, può essere immaginato come un brusio indistinto (in quel caso prodotto da onde sonore) che potremmo ascoltare all’interno di una sala affollata.

Il prossimo passo per il team di IPTA sarà la misura della cosiddetta “correlazione spaziale” tra le pulsar. Spiega Andrea Possenti, dell’INAF di Cagliari, e coautore del lavoro: «La correlazione del segnale tra le coppie di pulsar è la chiave per chiarire la fonte del segnale. Perché si tratti del fondo di onde gravitazionali, ogni coppia di pulsar deve comportarsi in un modo molto specifico, a seconda della loro separazione angolare nel cielo. Al momento non si può concludere nulla al proposito: abbiamo infatti bisogno di un segnale più forte per misurare questa correlazione».

Gli fa eco Bhal Chandra Joshi, membro dell’InPTA (il consorzio sperimentale con base in India, da poco entrato a sua volta nel IPTA): «Il primo indizio è un segnale come quello ora veduto nei dati dell’IPTA. Poi, con più dati, speriamo che il segnale inizierà a mostrare le attese correlazioni spaziali: a quel punto sapremo che si tratta davvero del fondo cosmico di onde gravitazionali».

Il lavoro già ferve all’interno di IPTA per aggiungere nuove osservazioni, sempre più precise, alla combinazione di dati esistenti.  Conclude Delphine Perrodin: «Questo è un vero lavoro di squadra internazionale, all’interno del quale il contributo italiano, fra INAF e Università di Milano Bicocca, diviene sempre più importante, con le osservazioni presso SRT, la combinazione con i dati degli altri radio telescopi, la loro analisi ed interpretazione astrofisica. Non si può che essere ottimisti circa le capacità di arrivare presto ad una scoperta che sarebbe epocale».

Testo dall’Ufficio Stampa Università di Milano-Bicocca sulla rete di pulsar per “ascoltare” il brusio cosmico di fondo delle onde gravitazionali.
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https://www.scientificult.it/2021/10/27/european-pulsar-timing-array-osservazione-onde-gravitazionali-a-bassissima-frequenza/
Con l’European Pulsar Timing Array un altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza
Pubblicato su MNRAS lo studio che ha visto in prima linea i ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca
EPTA onde gravitazionali a bassissima frequenza
Con l’European Pulsar Timing Array un altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza. Il logo dell’EPTA di Robert Ferdman, Sotirios Sanidas, CC BY-SA 3.0

 

Milano, 27 ottobre 2021 – L’European Pulsar Timing Array (EPTA) è una collaborazione scientifica che riunisce team di astronomi afferenti ai più grandi radiotelescopi Europei, e coordina gruppi di ricercatori specializzati nell’analisi dei dati e nella modellizzazione dei segnali di onde gravitazionali. Fra questi è presente il gruppo di astrofisica del Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca. L’EPTA ha recentemente pubblicato sulla storica rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society un’analisi dettagliata (“Common-red-signal analysis with 24-yr high-precision timing of theEuropean Pulsar Timing Array: Inferences in the stochasticgravitational-wave background search“; DOI: 10.1093/mnras/stab2833) di un segnale compatibile con il tanto ricercato fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione cosmica di binarie di buchi neri supermassicci.
Sebbene non sia ancora possibile confermare l’origine gravitazionale del segnale, questo rappresenta un altro passo significativo nello sforzo di rivelare per la prima volta onde gravitazionali a bassissima frequenza, con frequenze dell’ordine di un miliardesimo di Hertz. Il segnale candidato è emerso da un’analisi dettagliata senza precedenti condotta utilizzando due metodologie indipendenti. Inoltre, il segnale presenta forti somiglianze con quello riscontrato da analisi di altri team.
Le pulsar sono stelle di neutroni molto compatte che emettono fasci di onde radio collimati  in direzione dei poli magnetici, in generale non allineati con l’asse di rotazione della stella creando un “effetto faro”. Se i fasci attraversano la nostra linea di vista, da terra osserviamo un impulso periodico molto preciso: un orologio che batte un tic ad ogni rotazione della pulsar. Un pulsar timing array (PTA) è un insieme di pulsar rotanti molto stabili, utilizzate come un enorme rivelatore galattico di onde gravitazionali. PTA, sensibile a onde gravitazionali con frequenze del miliardesimo di Hertz, è quindi un osservatorio complementare agli attuali rivelatori a terra LIGO/Virgo/Kagra, sensibili a frequenze comprese fra 10 Hz ad 1000 Hertz. Mentre questi ultimi rivelano le repentine collisioni di buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni, un PTA può osservare onde emesse da sistemi binari di buchi neri supermassicci che spiraleggiano l’uno intorno all’altro al centro delle galassie. Il sovrapporsi di moltissimi di questi segnali, provenienti da una popolazione cosmica di binarie massicce, crea un cosiddetto “fondo stocastico” di onde gravitazionali.
«Possiamo misurare piccole fluttuazioni nei tempi di arrivo del segnale radio delle pulsar sulla Terra, causate dalla deformazione dello spazio-tempo dovuta al passaggio di un’onda gravitazionale. In pratica queste deformazioni si manifestano come una perturbazione a bassissima frequenza dei tempi di arrivo degli impulsi osservati, perturbazione comune a tutte le pulsar di un PTA», spiega il dottor Golam Shaifullah, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini”, co-autore principale dello studio.
Tuttavia, l’ampiezza di questa perturbazione è incredibilmente piccola (stimata nell’ordine delle decine di miliardesimi di secondo) e può essere confusa o mascherata da tantissimi altri effetti fisici che possono creare piccole instabilità nel periodo di rotazione delle pulsar, elementi della rete PTA. Per convalidare i risultati sono stati quindi utilizzati più codici indipendenti con diverse tecniche statistiche per mitigare fonti alternative di rumore e identificare il segnale gravitazionale.
È importante sottolineare che nell’analisi sono state utilizzate due procedure “end-to-end” indipendenti per la verifica incrociata dei risultati. Inoltre, sono stati utilizzati tre metodi indipendenti per tenere conto dei possibili errori sistematici dovuti all’incertezza sulla conoscenza delle masse e posizioni dei corpi celesti nel sistema solare: incertezza che può indurre falsi positivi nella rivelazione del segnale stocastico di onde gravitazionali.
Le analisi svolte da EPTA con entrambe le procedure hanno riscontrato la presenza di un chiaro segnale candidato per un fondo stocastico gravitazionale, e le sue proprietà spettrali (ovvero come l’ampiezza della perturbazione osservata varia con la frequenza) rimangono all’interno delle aspettative teoriche per questo tipo di segnale.
Il dottor Nicolas Caballero, ricercatore presso il Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics di Pechino e co-autore principale, spiega: «L’EPTA ha trovato per la prima volta indicazioni di questo segnale nei dati precedentemente pubblicati nel 2015, ma poiché i risultati avevano maggiori incertezze statistiche, sono stati discussi rigorosamente solo come limiti superiori. I nostri nuovi dati ora confermano chiaramente la presenza di questo segnale, rendendolo un candidato per un fondo stocastico di onde gravitazionali».
La Relatività Generale di Einstein prevede una relazione molto specifica tra le deformazioni spazio-temporali sperimentate dai segnali radio provenienti da pulsar situate in diverse direzioni nel cielo. Gli scienziati la chiamano correlazione spaziale del segnale o curva di Hellings e Downs. Il suo rilevamento identificherà in modo univoco l’eventuale origine gravitazionale del segnale osservato.
«Al momento – nota il dottor Siyuan Chen, ricercatore all’LPC2E, CNRS di Orléans in Francia, co-autore principale dello studio – le incertezze statistiche nelle nostre misurazioni non ci consentono ancora di identificare la presenza della correlazione spaziale prevista per il segnale dovuto ad onde gravitazionali. Per ulteriori conferme dobbiamo includere i dati di più pulsar nell’analisi, tuttavia i risultati attuali sono molto incoraggianti».
L’EPTA è un membro fondatore dell’International Pulsar Timing Array (IPTA). Poiché anche le analisi dei dati indipendenti eseguite dagli altri partner IPTA (cioè gli esperimenti NANOGrav e PPTA) hanno indicato segnali comuni simili, è diventato fondamentale applicare più algoritmi di analisi per aumentare la confidenza in un possibile rilevamento futuro di questo fondo stocastico. I membri dell’IPTA stanno lavorando insieme, traendo conclusioni dal confronto delle analisi dei diversi dati per prepararsi al meglio per i prossimi passi.
Alberto Sesana, professore associato di Milano-Bicocca e membro dell’EPTA, conclude: «Il rilevamento di un fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione di sistemi binari di buchi neri supermassicci o da altre sorgenti di origine cosmica fornirà informazioni uniche sui modelli cosmologici di evoluzione dell’Universo, imponendo forti vincoli al processo di aggregazione delle galassie come le vediamo oggi. Pertanto, stiamo intensificando i nostri sforzi aggiungendo i dati di nuove pulsar e rafforzando i controlli incrociati delle nostre analisi. Non c’è spazio per gli errori».
Testo dall’Ufficio Stampa Università di Milano-Bicocca, circa lo studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza.