La Zona Circumstellare Abitabile delle altre stelle

Umby

Abbiamo visto nello scorso articolo 1 come si quantifica in linea di massima la Zona Circumstellare Abitabile del Sole, un passaggio importante, se non obbligato, per comprenderne il significato.  Ma come si stima una Zona Goldilocks attorno ad un’altra stella?
In realtà è molto più semplice di quanto si pensi, bastano le quattro operazioni elementari, sapere cosa siano la radice quadrata di un numero e un logaritmo, e un po’ di pazienza.

Innanzitutto occorre stimare quanta energia emette una stella, cosa non poi così difficile come può sembrare.
Si parte calcolando la magnitudine assoluta 2 della stella in esame.
L’equazione nuda e cruda che lega la luminosità apparente e la luminosità assoluta è questa:

    \[ M_v = m_v - 5 * \log{\left(\frac{D}{10}\right)} \]

dove M_v e m_v sono le magnitudini visuali, cioè come sono percepite le luminosità dall’occhio umano 3, mentre D è la distanza espressa in parsec (3,26 anni luce).
Detta così dice poco, ma per fare un esempio prendiamo il nostro Sole, la cui magnitudine apparente è di -26,75 e distante 0,000004848137 parsec:

    \[ Mv = -26,75 - 5 * \log{\left(0,000004848137/10\right)} \]

    \[ Mv = -26,75 - 5 * \log{\left(0,00004848137\right)} \]

    \[ Mv = -26,75 - 5 * -6,31442 \]

    \[ Mv = -26,75 --31,57212 \]

    \[ Mv = 4,82212 \]

mica è difficile!

Classe spettraleSequenza principaleGigantiSupergiganti
O3-4,30-4,20-4,00
B0-3,00-2,90-2,70
A0-0,15-024-0,30
F0-0,010,010,14
G0-0,10-0,13-0,10
K0-0,24-0,42-0,38
M0-1,21-1,28-1,30
M8-4,00
I dati di questa tabella sono puramente empirici. Tratto da "Stars and their spectra" di James Kaler, Cambridge 1997

Ma purtroppo la magnitudine assoluta calcolata si riferisce solo alla luce visibile così come noi la percepiamo, mentre le stelle emettono energia in uno spettro infinitamente più ampio che dipende dalla loro temperatura superficiale 4.
Allora perché si riesca a tenere conto di tutta l’energia emessa da una stella occorre correggere il dato visuale di conseguenza. Il primo passo consiste nell’applicare la Correzione Bolometrica (BC) da cui poi si giunge alla luminosità assoluta:

    \[ M_{bol} = M_v + BC \]

Dove M_{bol} è la magnitudine bolometrica assoluta, M_v come sopra e BC la costante di correzione bolometrica (in linea di massima possiamo usare i valori della tabella qui accanto).
Sempre riferendosi alla nostra stella il valore di BC è -0,08, per cui sviluppando l’equazione precedente abbiamo:

    \[ M_{bol} = 4,82 + -0,08 = 4,74 \]

che è appunto la magnitudine bolometrica assoluta del Sole.
Ora trasformiamo la magnitudine bolometrica assoluta ricavata sopra  in unità solari per maggiore praticità e comprensione. In questo modo la Fascia Goldilocks ci verrà restituita in unità astronomiche.

    \[ \frac{L_{Stella}}{L_{Sole}} = 100^{\left[\frac{M_{bolStella} - M_{bolSole}}{-5}\right]} \]

Per il Sole questo rapporto è ovviamente 1 , ma vedremo presto come si applica alle altre stelle.
Un ottimo metodo di calcolo della CHZ fu messo a punto da Daniel Whitmire, James Kasting e Ray Reynolds nel 1992 e poi rivisto negli anni successivi. Questo studio tiene conto di diversi parametri come la chimica atmosferica, l’albedo etc., si riassume in due costanti che, usate ai denominatori di queste equazioni, restituiscono una stima abbastanza affidabile delle dimensioni della Zona Goldilocks per le varie stelle espresse in UA:

    \[ r_{i} =\sqrt {\frac{L_{stella}}{1,1}}  \Longleftrightarrow r_{o} =\sqrt {\frac{L_{stella}}{0,53}} \]

Il raggio limite interno che rappresenta il confine più caldo è dato dalla prima equazione nel valore di r_i, mentre il limite più esterno e più freddo è dato dalla seconda in r_o.
Se provassimo ad applicarlo per il Sistema Solare, allora avremmo r_i=\sqrt{1/1,1}=0,95 e r_o=\sqrt{1/0,53}=1,37, un po’ diversi da quelli del precedente articolo che non teneva assolutamente conto dell’albedo e dell’atmosfera, ma non poi così tanto.

Adesso proviamo un esempio pratico. è notizia di questi giorni che sia stato trovato un sistema planetario attorno alla stella \tau Ceti 5, una delle stelle a noi più più vicine, solo 11,89 anni luce e di m_v 3,50 6.

    \[ M_v=3,5 -5 * log{\left(\frac{\left(11,89/3,26\right)}{10}\right)} = 3,5 - -2,19 = 5,69 \]

    \[ M_{bol}=5,69+(BC=-0,21) = 5,48 \]

    \[ \frac{L_{\tau Ceti}}{L_{Sole}} = 100^{\left[\frac{5,48 - 4,79}{-5}\right]}\approx {0,529} \]

    \[ r_{i_\tau Ceti} =\sqrt {\frac{0,529}{1,1}}=0,694   \Longleftrightarrow r_{o_\tau Ceti} =\sqrt {\frac{0,529}{0,53}} =0,999 \]

Anche se questi numeri sono solo indicativi, è interessante vedere come non sia poi così difficile cercare di quantificare una fascia abitabile intorno a una stella. La CHZ per \tau Ceti si estende quindi tra le 0,7 e 1 unità astronomica. Chissà, probabilmente aveva ragione Isaac Asimov, il cielo di Aurora è un più aranciato del nostro.

Riferimenti:
Whitmire, Daniel; Reynolds, Ray, (1996). Circumstellar habitable zones: astronomical considerations. In: Doyle, Laurence (ed.). Circumstellar Habitable Zones, 117-142. Travis House Publications, Menlo Park.


Note:

  1.  La Zona Circumstellare Abitabile del Sole, Il Poliedrico 19 dicembre 2012.
  2. La magnitudine assoluta è la luminosità di una stella come se la osservassimo a 10 parsec di distanza. Il Sole così ci apparirebbe come una qualsiasi stellina di magnitudine 4,82.
  3. La semplice stima delle magnitudini ad occhio nudo è palesemente insufficiente dal punto scientifico, anche se è rimasta nella tradizione storica. Adesso le magnitudini stellari sono misurate su diverse lunghezze d’onda tramite filtri e fotometri, molto più completi e precisi nello spettro visibile, ossia quel segmento dello spettro elettromagnetico compreso tra 760 e 380 nanometri, mentre per altre lunghezze d’onda si ricorre ad altri strumenti chiamati bolometri. Inoltre la percezione umana cambia da persona a persona, e cambia pure nel corso dell’età. Pertanto una stima fatta a occhio può avere solo un valore indicativo.
  4. La radiazione elettromagnetica emessa da una stella è la cosa più simile all’ideale radiazione di corpo nero che esiste in natura.
  5. Per gli appassionati di fantascienza il nome Tau Ceti non può non evocare la stella ospite del pianeta Aurora, il principale pianeta degli Spaziali ne I robot dell’Alba di Isaac Asimov.
  6. Vedi il catalogo Simbad per LHS 146.
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Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

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