Il premio Nobel per la fisica 2019 è stato assegnato martedì in parte a Michel Mayor e Didier Queloz per una straordinaria scoperta che hanno fatto nel 1995: la prima scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella lontana simile al nostro Sole. Prima di ciò, gli unici pianeti sulla mappa erano gli otto nel nostro sistema solare. Non sapevamo nemmeno se i pianeti fossero comuni o rari nell’universo, una domanda con grandi implicazioni per la possibile esistenza della vita aliena.
Fu una vera prodezza di investigazione scientifica. Il sindaco e Queloz guardarono una stella nella costellazione di Pegasus chiamata 51 Pegasi, distante 50,45 anni luce. Possiamo vedere la luce emessa dalla stella, ma a quella distanza la dimensione angolare della sorgente è troppo piccola per essere risolta dai telescopi. In altre parole, non possiamo davvero vedere la stella stessa. E se non riesci a vedere la stella, certamente non puoi vedere un pianeta molto più piccolo che la circonda. Quindi come hanno fatto? Con la fisica, ovviamente. Come per tutte le cose, il modo migliore per capirlo è costruire un modello. Quindi, costruiamo un semplice modello del primo esopianeta mai rilevato.
Il primo esopianeta scoperto
La stella 51 Pegasi è molto simile al nostro Sole, un po ‘più imponente, ma probabilmente non potresti distinguerli se fossero ugualmente a portata di mano. Il pianeta, debolmente soprannominato 51 Pegasi b, è un gigante gassoso come Giove, ma è ridicolmente vicino alla sua stella, con un raggio orbitale di solo circa 0,05 UA. (AU sta per unità astronomica, che è la distanza media dalla Terra al Sole.) Solo per confronto, Giove ha un raggio orbitale di circa 5 UA.
Ora vado a questo punto indietro, con il senno di poi. Useremo le masse stimate della stella e dell’esopianeta, insieme al raggio orbitale, per modellare il comportamento di questo sistema pianeta-stella, e poi mostrerò come è possibile rilevarlo. Il sindaco e Queloz, ovviamente, hanno dovuto trarre queste stime dai dati. Ma probabilmente avevano in mente un modello simile per guidare il loro lavoro.
OK, in qualsiasi sistema solare, c’è una forza gravitazionale che unisce una stella e un pianeta. Questa forza attrattiva dipende dalla massa di ciascun oggetto (Ms e mp) e dalla distanza (r) tra loro, e la sua grandezza è data da: F=Gx (Msmp/r2’).
Qui, G è la costante gravitazionale, con un valore di 6,67 x 10-11 N × m2 / kg2. Ma cosa fa realmente una forza che agisce su un corpo celeste? Secondo il principio della quantità di moto, cambia la sua quantità di moto (p), dove la quantità di moto è la velocità (v) per la massa. Come questo: p=mv.
Quanto dura un intervallo di tempo “breve”? 51 Pegasi orbita attorno alla sua stella in soli quattro giorni terrestri, il che è velocissimo. Quindi proviamo un intervallo di 100 secondi. Quindi, per tracciare una rotazione completa, devo solo ripetere questi calcoli di forza e quantità di moto oltre 3000 volte.