Dal 2012 montato in uno dei fuochi del Telescopio Nazionale Galileo vi è il cacciatore di pianeti extrasolari, lo spettrografo Harps-N (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher-North), uno strumento all’avanguardia in grado di misurare la velocità radiale delle stelle con una precisione di 1 metro al secondo.
L’attività magnetica stellare è la bestia nera dei cacciatori di pianeti. Gli spettrometri come Harps-N, che misurano la velocità radiale, sono in grado di monitorare le oscillazioni periodiche dell’effetto Doppler di stelle luminose simili al Sole con una precisione migliore di 40 cm al secondo. Raggiungere questo obiettivo in modo ripetibile su tempi scala di anni è una sfida che richiede una profonda comprensione dello strumento e del rivelatore. Sin dagli esordi di Harps-N, il team di David Phillips del Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian (Cfa) ha utilizzato un pettine di frequenze laser per controllare il profilo strumentale e fornire una lunghezza d’onda di riferimento per le sorgenti di calibrazione ThAr (torio-argon) e Fabry-Perot che monitorano la deriva strumentale.
Le stelle ospiti delle super-Terre e dei mini-Nettuno che gli astronomi di Harps-N cercano di caratterizzare sono tuttavia tutt’altro che stabili. Macchie stellari e facole vengono trasportate attraverso gli emisferi visibili delle stelle rotanti, bloccando la luce che subisce l’effetto Doppler e alterando i modelli convettivi che definiscono le forme delle linee spettrali. Se scarsamente campionati, questi effetti si combinano dando origine a un’apparente fonte aggiuntiva di dispersione della velocità radiale. In realtà, ciò che stiamo osservando sono variabilità correlate nel tempo, con ampiezze che vanno da uno o due metri al secondo su scale temporali di ore per la convezione fotosferica, fino a diversi metri al secondo su scale di settimane per la rotazione stellare e di decenni per il ciclo di attività stellare.
Per contrastare questi contributi correlati al rumore stellare, è necessaria una strategia di osservazione dettata dallo spettro di potenza delle variazioni della stella ospite. «Avere gli strumenti necessari per mitigare gli effetti dell’attività stellare», spiega Andrew Collier Cameron della University of St Andrews (Regno Unito), «significa conoscere le periodicità spurie che essa introduce nelle misure di velocità radiale. E quale miglior caso del nostro Sole, di cui conosciamo il periodo di rotazione e gli altri cicli di attività? Ecco quindi perché misuriamo le sue variazioni spurie e studiamo le relazioni con i suoi periodi noti».
Il telescopio solare di Harps-N. Crediti A. Ghedina/Tng
A questo scopo, poco dopo l’inizio delle operazioni Harps-N, Xavier Dumusque (allora al CfA) e David Phillips hanno ideato e costruito un telescopio solare a basso costo ad hoc per lo spettrometro. Composto da una lente da 7,6 cm e da una sfera di Ulbricht su una montatura all’interno di una cupola trasparente, dalla metà del 2015 il telescopio solare ha convogliato la luce del Sole in Harps-N ogni 5 minuti (per calcolare la media dei modi p solari) durante tutte le ore diurne senza nubi. Il suo funzionamento è quasi completamente robotico, e infatti ha continuato a funzionare durante la calima del febbraio 2020 e la sospensione delle osservazioni notturne al Tng – dal 24 marzo al 24 aprile 2020 – per l’emergenza Covid-19.
Quando le velocità misurate vengono riportate in coordinate eliocentriche, il Sole diventa l’unica stella che possiamo studiare non condizionata dal moto planetario. La sua curva di velocità radiale dalla metà del 2015 mostra variazioni quasi periodiche sul periodo di rotazione solare di 27 giorni durante i due anni di declino dell’ultimo ciclo solare. Dall’inizio del 2018 il Sole è stato tranquillo, con solo alcuni sporadici passaggi di regioni attive osservati alla fine del 2018 e nella prima metà del 2019. Durante tutto il minimo solare esteso, la velocità radiale solare media è aumentata di circa 2 metri al secondo, con sovrapposta un’oscillazione apparente di circa 300 giorni di origine sconosciuta. Se non corrette, in un’altra stella tendenze e quasi-periodicità di questo tipo potrebbero portare a falsi positivi nelle ricerche di pianeti di piccola massa.
Grafico della velocità radiale solare campionata ogni 5 minuti, corretta per il movimento baricentrico e l’estinzione differenziale. Gli eventi 2020 di Calima e COVID-19 sono evidenziati dalle due barre verticali. Crediti: Andrew Collier Cameron
Il team di Harps-N sta continuando a raccogliere dati solari e studiare gli 80mila spettri da cui sono state derivate queste velocità, cercando le impronte spettrali dei processi che causano queste apparenti variazioni di velocità. Gli spettri solari di Harps-N sono una risorsa preziosa per lo sviluppo di indicatori sostitutivi di variazioni delle velocità radiali dovute all’attività stellare che devono essere applicati ad altre stelle, man mano che prosegue la ricerca di esopianeti di piccola massa e con orbite di lungo periodo. La pubblicazione di tutti gli spettri ottenuti nei primi tre anni dal telescopio solare di Harps-N, rielaborati con una pipeline all’avanguardia come quella di Espresso, è prevista per luglio 2020, in occasione del quinto compleanno del telescopio solare.
Per saperne di più:
- Leggi l’annuncio della release del luglio 2020 “HARPS-N Solar Telescope Data Release”