L’anno 1995, come il 1492, fu l’alba di un’era di scoperte. I nuovi esploratori, invece di usare navi d’altura per scoprire continenti, usano i telescopi per scoprire pianeti che ruotano intorno a stelle lontane. Migliaia di questi pianeti extrasolari, termine solitamente abbreviato in “esopianeti”, sono stati trovati, compresi alcuni mondi potenzialmente simili alla Terra, insieme a oggetti bizzarri che non assomigliano a nessuno dei pianeti del nostro sistema solare.
Due di questi esploratori di esopianeti, Michel Mayor e Didier Queloz, hanno recentemente ricevuto metà del premio Nobel per la fisica per la scoperta che hanno fatto nel 1995. I miei colleghi ed io siamo uniti nella nostra ammirazione per il loro lavoro pionieristico, e nel nostro orgoglio di continuare ciò che hanno iniziato.
Ma c’è qualcosa di particolare nella citazione del premio Nobel. Dice: “per la scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare”. Non dovrebbe dire il primo esopianeta? Dopo tutto, centinaia di astronomi hanno scoperto un esopianeta. Io ho contribuito a trovarne qualcuno. Anche gli studenti delle scuole superiori e gli astronomi dilettanti li hanno scoperti. Il comitato del Nobel ha commesso un errore tipografico?
No, non l’ha fatto, e così si appende una storia.
Così come è problematico decidere chi ha scoperto l’America (Cristoforo Colombo? John Cabot? Leif Erikson? Amerigo Vespucci, il cui nome è quello che è rimasto? Quelli che vennero a piedi dalla Siberia decine di migliaia di anni fa?) è difficile dire chi ha scoperto il primo esopianeta. Ci sono almeno cinque contendenti credibili, ed è divertente e affascinante considerare i meriti di ogni caso. Quindi, facciamo finta di essere nel comitato del Nobel, incaricato di scegliere il vincitore.
Prima, però, dobbiamo capire la mentalità degli astronomi pre-esopianeti. Si aspettavano che tutti i sistemi planetari assomigliassero al nostro sistema solare. Non in ogni dettaglio, ma almeno in alcuni aspetti importanti: le orbite dei pianeti sono quasi circolari e si trovano sullo stesso piano, con i pianeti giganti (come Giove) all’esterno, e i pianeti rocciosi (come la Terra) molto più vicini alla stella.
Nel corso dei secoli, gli astronomi hanno sviluppato una teoria sulla formazione dei pianeti che spiega perché questi modelli dovrebbero essere universali, come conseguenze inevitabili dei processi fisici che avvengono all’interno del vortice di materiale che circonda una stella appena nata. Sono tentato di descrivere la teoria, ma vi risparmierò i dettagli, perché le prime scoperte di esopianeti hanno dimostrato che questa teoria è sbagliata, o almeno incompleta. Tutto quello che dovete sapere è che questa aspettativa era profondamente radicata.
Dovete anche sapere come rilevare gli esopianeti. La prima cosa che si potrebbe provare è puntare un telescopio verso una stella e cercare oggetti più deboli che le girano intorno. Questo risulta essere quasi impossibile: i pianeti sono troppo deboli. Invece, i primi esopianeti sono stati individuati osservando il movimento della stella.
Ai bambini viene insegnato che i pianeti girano intorno al sole, ma questa è una piccola bugia bianca. In realtà, il sole e i pianeti ruotano intorno al centro di massa dell’intero sistema solare. Se si costruisse un modello in scala del sistema solare appoggiato su un disco piatto, il centro di massa è il punto in cui si potrebbe bilanciare il disco sulla punta delle dita. Il sole è il componente più massiccio del sistema solare, quindi è sempre vicino al centro di massa, ma si muove un po’. I pianeti intorno a una stella lontana dovrebbero far muovere anche la stella. E questo dà agli astronomi un modo per trovarli, usando l’effetto Doppler.
Ogni volta che un oggetto in movimento emette onde, come le onde sonore o luminose, la lunghezza tra le onde viene compressa in avanti e allungata all’indietro. Per il suono, la lunghezza d’onda determina l’altezza, il che spiega perché la sirena di un’ambulanza diminuisce di tono mentre sfreccia. Per la luce, la lunghezza d’onda determina il colore. Quando una stella si muove verso di noi, la sua luce apparirà leggermente più blu, e quando la stella si allontana, diventa più rossa. Stiamo parlando di cambiamenti di poche parti per milione, o meno, ed è per questo che servono attrezzature astronomiche specializzate per rilevarli.
Siamo quasi pronti a rivedere i candidati per lo scopritore del primo esopianeta, ma c’è ancora una cosa. Dovremmo decidere in anticipo cosa intendiamo per scoprire. Questo si rivelerà importante.
Una definizione da dizionario è “ottenere la conoscenza per la prima volta”. Ok, ma cos’è la conoscenza? Per questo ci rivolgiamo a un libro di filosofia, nel capitolo sull’epistemologia, dove impariamo che la conoscenza è una vera credenza giustificata. Il nostro compito, quindi, è quello di identificare la prima persona ad avere una vera credenza giustificata nell’esistenza di un esopianeta.
Perché deve essere vera, non abbiamo bisogno di discutere tutte le false partenze e le affermazioni spurie che hanno macchiato la reputazione dei cacciatori di pianeti per decenni. Richiedendo che sia giustificato, mettiamo da parte i fortunati indovini. Nel 1953, Philip K. Dick scrisse una storia ambientata su un pianeta intorno alla stella Proxima Centauri, e nel 2017 gli astronomi hanno rilevato un pianeta simile, ma Philip K. Dick non ha scoperto il pianeta.
Il nostro briefing è ora completo, e possiamo accogliere i contendenti sul ring, in ordine cronologico.
Nel 1979, Gordon Walker e alcuni colleghi dell’Università della British Columbia iniziarono la ricerca di pianeti. Era la massima autorità mondiale nelle osservazioni Doppler di precisione. Ha progettato la sua indagine sulla premessa che tutti i sistemi planetari assomigliano al sistema solare. I segnali più grandi – e, dati i limiti della sua attrezzatura, gli unici segnali che aveva qualche possibilità di rilevare – sarebbero venuti da pianeti giganti, simili a Giove, che impiega 12 anni per girare intorno al sole. Il che significava che Walker doveva impegnarsi in un progetto a lungo termine.
Ha anche dovuto sperare che pianeti simili a Giove siano comuni, perché era in grado di monitorare solo circa 20 stelle. Per espandere la sua ricerca, avrebbe avuto bisogno di un maggiore sostegno da parte del Telescope Time Allocation Committee, che non arrivò. Walker scrisse in seguito: “È abbastanza difficile al giorno d’oggi rendersi conto dell’atmosfera di scetticismo e indifferenza negli anni ’80 verso le proposte di ricerca di pianeti. Alcuni pensavano che una tale impresa non fosse nemmeno una parte legittima dell’astronomia”.”
Nonostante questo ostacolo, nel 1988 aveva rilevato il segnale di un pianeta di massa Jupiter che gira intorno a una stella chiamata Gamma Cephei ogni 2,7 anni. Quindi, Walker vince il premio? Aveva una convinzione vera e giustificata dell’esistenza del pianeta?
Ebbene, era vera: l’esistenza del pianeta è stata definitivamente confermata nel 2003. Il problema è se la convinzione era giustificata nel 1988. Il segnale di Walker si distingueva chiaramente dal rumore, ma era ancora preoccupato di essere stato ingannato. Il segnale Doppler potrebbe essere causato da qualcos’altro oltre a un pianeta. Forse il modello di 2,7 anni era dovuto alla rotazione della stella, piuttosto che al movimento. Il sole ruota una volta al mese, ma Walker pensava che Gamma Cephei fosse una stella gigante, che poteva ruotare molto più lentamente.
In un articolo del 1992, basato su questa preoccupazione, Walker si allontanò dall’affermazione che il segnale di Gamma Cephei rappresentasse un pianeta. Ma come si è scoperto, la stella era stata classificata male. Non è una stella gigante. Walker era stato ingannato nel temere di ingannare se stesso. La sua cautela era naturale, data l’atmosfera di scetticismo al limite dell’ostilità. Forse è meglio dire che Walker ha rilevato il pianeta ma non l’ha proprio scoperto.
Questo ci porta al nostro prossimo concorrente, David Latham, dello Smithsonian Astrophysical Observatory. Nel 1989, lui e i suoi collaboratori hanno riportato un intrigante segnale Doppler intorno a una stella chiamata HD 114762. Il segnale era chiarissimo. Le sue caratteristiche erano compatibili con il moto orbitale e incompatibili con la rotazione. Infatti, HD 114762 è incluso nel database completo di esopianeti della NASA, registrato con il 1989 come anno della scoperta. Questo è sei anni prima di Mayor e Queloz.
Perciò, perché Latham non stringerà la mano al re di Svezia? Perché all’epoca, il risultato di Latham non era percepito come la scoperta di un pianeta. C’erano alcune cose strane sul pianeta putativo.
Prima di tutto, l’orbita non è vicina all’essere circolare. È un’ellisse con una dimensione lunga il doppio dell’altra, a differenza dei pianeti del sistema solare. In secondo luogo, il pianeta è 11 volte più massiccio di Giove, il che sembra assurdo. In realtà, il pianeta potrebbe essere ancora più massiccio, perché il metodo Doppler ci dice solo la massa minima possibile del pianeta. Questo perché la stella si muove in tutte e tre le dimensioni, ma l’effetto Doppler deriva solo da una di queste dimensioni: il movimento verso o lontano dall’osservatore.
Infine, l’orbita sembrava troppo piccola per un pianeta gigante. È meno di un decimo della dimensione dell’orbita di Giove. Secondo la teoria della formazione dei pianeti, i pianeti giganti non dovrebbero mai formarsi così vicino alla stella. Questo è il dominio dei piccoli pianeti rocciosi.
Latham pensava che potesse essere un pianeta, ma alcuni dei membri del suo team (e la maggior parte degli altri astronomi) pensavano che fosse una forzatura. Il loro documento del 1989 menziona la possibilità di un pianeta solo a titolo di speculazione. Più probabilmente, scrissero, si trattava di una nana bruna, una sorta di stella fallita che non ha mai innescato reazioni di fusione nucleare.
Oggi, però, nessuna delle “peculiarità” di HD 114762 è considerata affatto particolare. Sappiamo che qualche percento delle stelle simili al sole ha un pianeta gigante con un’orbita piccola e altamente ellittica. E alcuni di essi hanno masse fino a 10 o anche 20 volte quella di Giove.
Latham ha una buona pretesa di essere il primo a scoprire un esopianeta, ma questo è solo dalla nostra visione retrospettiva. L’affermazione era vera, e ampiamente giustificata dai dati. Ma all’epoca non fu creduta, a causa del pregiudizio che i pianeti dovessero apparire e comportarsi come i pianeti del sistema solare.
Quello che venne dopo fu una sorpresa sorprendente. Nel 1992, Aleksander Wolszczan e Dale Frail annunciarono la scoperta di due pianeti, di massa comparabile a quella della Terra, utilizzando una variazione del metodo Doppler. Le prove erano solide e convincenti. La cosa sorprendente era che la stella non è una stella ordinaria come il sole; è una pulsar.
Le pulsar sono tra le cose più esotiche dell’universo. Sono resti di esplosioni di supernova, che avvengono quando una stella massiccia esaurisce il carburante nucleare e diventa instabile. Una pulsar racchiude la massa dell’intero sole in una palla di soli 20 chilometri di diametro, rendendola così densa che con una mossa falsa collasserebbe e diventerebbe un buco nero. Inoltre, può girare centinaia di volte al secondo e sputare onde radio, raggi X e dosi letali di radiazioni.
Come dovremmo valutare questo candidato per il primo esopianeta? L’affermazione era vera e giustificata. Era creduta ed è ancora creduta dalla comunità astronomica. L’unico ostacolo era se gli oggetti che orbitavano intorno alla pulsar dovessero qualificarsi come pianeti.
Fino a quel momento, la definizione lavorativa degli astronomi di un pianeta era un oggetto con una massa troppo piccola per essere una stella o una nana bruna. La scoperta delle pulsar ha imposto una valutazione più attenta. Forse la parola pianeta dovrebbe essere riservata agli oggetti che orbitano intorno a una stella normale, non a una stella zombie. (Ora si capisce perché la citazione del Nobel 2019 si riferisce a “un esopianeta intorno a una stella di tipo solare”)
Alcuni astronomi hanno insistito che i pianeti devono formarsi all’interno del vortice di materiale che circonda una giovane stella. Non è da lì che provengono i compagni della pulsar. Presumibilmente, si sono formati dopo l’esplosione della supernova, perché non avrebbero potuto sopravvivere alla catastrofica esplosione di energia. Forse parte del materiale esploso è finito per ricadere e ha iniziato a orbitare intorno alla stella di neutroni, e i pianeti si sono formati da quel materiale. Un problema serio con qualsiasi definizione basata sulla formazione, però, è che non esiste nemmeno una teoria universalmente condivisa per la formazione dei pianeti “normali”.
Quello che alla fine è successo è che gli astronomi si sono sentiti a proprio agio nel riferirsi agli oggetti di Wolszczan e Frail come pianeti. Ma i pianeti pulsar sono stati trattati come scherzi della natura, e la ricerca di altri di loro si è rivelata sterile e improduttiva. Solo un’altra pulsar è nota per avere un pianeta, e anche in quel caso, le prove non sono così sicure.
Questo ci porta al 1995. Michel Mayor e Didier Queloz, due astronomi dell’Osservatorio di Ginevra in Svizzera, avevano migliorato la tecnica Doppler. In precedenza, Mayor aveva aiutato Latham a osservare la sua stella. Poi, lui e il suo studente, Queloz, decisero di andare loro stessi a caccia di pianeti. Avevano un quasi-monopolio su un telescopio in Francia, che ha permesso loro di monitorare più stelle di Walker o Latham.
Una delle loro stelle, una stella simile al sole chiamata 51 Pegasi, si muoveva avanti e indietro con un’ampiezza di 50 metri al secondo, e un periodo di soli 4,2 giorni. Il segnale implicava l’esistenza di un pianeta con una massa minima tra quella di Saturno e Giove. Una massa che metteva a proprio agio gli astronomi. Meno comoda era la distanza orbitale: solo un ventesimo della distanza dalla Terra al Sole.
Questo, insistevano molti teorici, non era il posto per un pianeta gigante. Essendo così vicino alla stella, l’oggetto che orbita intorno a 51 Peg viene riscaldato a migliaia di gradi. Mayor e Queloz avevano scoperto quello che sarebbe stato conosciuto come un “Giove caldo”, un tipo di pianeta ritenuto impossibile nella teoria prevalente della formazione dei pianeti.
La comunità astronomica era scettica, non solo per la contraddizione con le loro aspettative ma anche per la storia a scacchi del campo. Alcuni erano preoccupati che gli spostamenti Doppler fossero dovuti a pulsazioni stellari, piuttosto che al movimento orbitale; forse la superficie di 51 Peg si stava gonfiando, per poi sprofondare di nuovo con un ritmo regolare.
Negli anni successivi, tuttavia, tutte queste preoccupazioni furono messe a riposo. Questo era il vero affare. La teoria della formazione dei pianeti doveva essere aggiornata.
Mayor e Queloz, quindi, sono stati i primi ad avere una convinzione vera e giustificata dell’esistenza di un oggetto che tutti concordano che sia un esopianeta intorno a una stella simile al sole. Altrettanto importante, la scoperta di 51 Peg ha avuto lo stesso effetto del primo avvistamento di un continente inesplorato e apparentemente sconfinato. La crescita esponenziale delle scoperte di pianeti, e del numero di scienziati che lavorano in questo settore, è iniziata nel 1995. Ecco perché il comitato del Nobel ha pensato che Mayor e Queloz meritassero i riflettori scientifici (e mezzo milione di dollari).
Mettendo il mio cappello da pedante, però, noterò che l’affermazione che 51 Peg è un pianeta non era giustificata al 100%. Ricordate, il metodo Doppler rivela solo la massa minima del corpo orbitante – la vera massa potrebbe essere più grande. Molto più grande, se la sua orbita è perpendicolare alla nostra linea di vista. Mentre questo richiederebbe una coincidenza molto improbabile, all’epoca era concepibile che la compagna di 51 Peg fosse in realtà una nana bruna. In realtà, si tratta di un pianeta. La vera massa è stata infine misurata con una tecnica diversa che si basa sul rilevamento della luce propria del pianeta, ma non fino al 2015.
Il primo esopianeta per il quale la massa è stata misurata senza ambiguità si chiama HD 209458b. In questo caso, l’orbita del pianeta lo porta direttamente davanti alla stella, causando un’eclissi in miniatura. Questo è ciò che elimina la solita incertezza sull’orientamento dell’orbita. Le eclissi sono state rilevate nel 1999 da due gruppi concorrenti, uno guidato da David Charbonneau e l’altro da Gregory Henry. Ma mentre questa era tecnicamente una scoperta più definitiva, a quel punto della storia la comunità astronomica aveva smesso di dubitare delle scoperte di 51 Peg e di altri oggetti simili.
Pedanteria a parte, vale anche la pena notare che, nonostante tutte le false partenze, il rilevamento di esopianeti è stata una di quelle rare e meravigliose occasioni in cui un progetto si è rivelato più facile del previsto. Di solito prevale la legge di Murphy: tutto è più difficile e richiede più tempo del previsto. Ciò che ha reso le cose più facili in questo caso è stata l’esistenza di Giove caldo, un regalo della natura che nessuno si aspettava. Le Giove calde producono i più grandi segnali Doppler, e possono essere rilevate e confermate con poche settimane di dati; non c’è bisogno di aspettare decenni, come Walker aveva pensato che sarebbe stato necessario.
In effetti, non è proprio vero che nessuno si aspettava le Giove calde. Nel 1956, Otto Struve scrisse un breve articolo in cui sottolineava che la precisione delle misure Doppler era diventata abbastanza buona da rilevare pianeti massicci, ma solo se esistevano in orbite minuscole. Mettendo da parte la questione di come un tale pianeta avrebbe potuto formarsi, si rese conto che non c’è nessuna legge della fisica che proibisca l’esistenza di tali pianeti. Il suo articolo avrebbe potuto accendere un intero nuovo settore dell’astronomia, ma in realtà languì nell’oscurità. Il pianeta intorno a 51 Peg probabilmente avrebbe potuto essere scoperto nei primi anni ’60, o sicuramente da Walker negli anni ’80, se fosse stato in grado di osservare più stelle.
Provo a ricordare questa storia quando soffro di eccessivo pessimismo. Anche se un campo è stato offuscato da precedenti affermazioni che si sono rivelate errate, anche se altre persone di talento ci hanno già provato, anche se i teorici ti dicono che la tua idea è inverosimile, può ancora esserci un fenomeno davvero spettacolare che aspetta di essere scoperto.