Haumea, storia personale di una scoperta

In questo articolo parlerò di Haumea, un remoto pianeta nano posto oltre Nettuno, e dei retroscena dell’occultazione avvenuta il 21 gennaio 2017 e osservata dall’Osservatorio Astronomico della Regione Autonoma Valle d’Aosta (OAVdA). I notevoli risultati ottenuti su Haumea (sintetizzati in Fig.1), sono stati pubblicati in una lettera su “Nature” (Ortiz et al., 2017).

Scrivo questa nota un po’ per condividere la gioia della pubblicazione, ma anche per mostrare quanto possa essere faticosa e ricca di colpi di scena la strada – spesso tortuosa – che porta ad una pubblicazione scientifica che, in ogni caso, richiede sempre il massimo impegno.

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Figura 1 – Una rappresentazione artistica del “nuovo” Haumea e del suo sistema di anelli. L’anello si trova ad una distanza di 2287 km rispetto al centro del corpo ellissoidale, ha una larghezza di 70 km, ed è più scuro della superficie di Haumea. Questa struttura è stata scoperta per mezzo delle osservazioni telescopiche coordinate da J. L. Ortiz effettuate durante l’occultazione stellare del 21 gennaio 2017 visibile dall’Europa (Credits: IAA-CSIC/UHU).

Chi è Haumea?

(136108) Haumea è un pianeta nano, scoperto nel 2004, che si trova in orbita eliocentrica ben oltre l’orbita di Nettuno. Questo lontano avamposto del Sistema Solare percorre un’orbita con un semiasse maggiore di circa 6.5 miliardi di km impiegando ben 281 anni per compiere un intero giro. In orbita attorno ad Haumea ci sono due piccoli satelliti, Hi’aka e Namaka, scoperti da terra nel 2005. Hi’aka ha un diametro di circa 310 km e orbita attorno ad Haumea su una circonferenza con un raggio di 49500 km che percorre in 49 giorni. Nemaka è più piccolo, si trova all’interno dell’orbita di Hi’aka e compie un giro in soli 18 giorni, ma su un’orbita marcatamente ellittica.

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Figura 2 – L’orbita di Haumea confrontate con quelle dei pianeti del Sistema Solare esterno. A partire dal Sole: Giove, Saturno, Urano e Nettuno (Rappresentazione grafica ottenuta con Celestia).

Fra i quattro pianeti nani transnettuniani conosciuti, Haumea è il più strano. Infatti ha la particolarità di essere un corpo molto allungato, con una forma simile a quella di un uovo, con un diametro medio di circa 1200 km. Haumea ruota anche rapidamente attorno al proprio asse: in sole 4 ore fa un giro completo, 6 volte più rapidamente della Terra! Queste caratteristiche sono tipiche degli asteroidi near-Earth (NEA), che però sono molto più piccoli di Haumea, quindi è logico che abbiano forme allungate o irregolari. Tutti gli altri pianeti nani, che sono Cerere, Eris, Plutone e Makemake, sono sferici e possiedono periodi di rotazione molto più lunghi, almeno il doppio di Haumea.

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Figura 3 – Una rappresentazione artistica di qualche anno fa del pianeta nano Haumea con i due satelliti, Hi’aka e Namaka (ovviamente manca l’anello!). Notare la forma molto allungata di questo corpo celeste. Le dimensioni stimate prima dell’occultazione erano di 1960×1518×996 km (Credit: NASA).

Questo era quanto si sapeva di Haumea prima dell’occultazione del 21 gennaio 2017. Dopo questa data il quadro descritto si è notevolmente complicato. Ma andiamo per gradi…

Arriva l’occultazione!

Che cosa sia una occultazione l’ho già accennato nell’articolo sulla occultazione di Tritone. In breve, una occultazione si verifica tutte le volte che un corpo del Sistema Solare, mentre orbita attorno al Sole, copre una stella proiettando la sua ombra al suolo. Dalla misura del tempo in cui la stella sparisce/ricompare e dal modo di attenuarsi della luce si può ottenere il profilo proiettato in cielo del corpo occultatore e se ne può scoprire/analizzare l’eventuale atmosfera.

Per il 21 gennaio 2017, fra le 2h 57 m e le 3h 14 m UT, Ortiz e colleghi avevano previsto l’occultazione di una stella di 17-esima magnitudine (quindi invisibile ad occhio nudo), appartenente alla costellazione di Bootes da parte di Haumea. La stella, del tutto anonima, è anche nota con il numero di catalogo URAT1 533-182543. La fascia d’occultazione, per una volta tanto, passava sull’Europa (Italia compresa!), con una durata massima prevista di ben 113 s e con un calo di luminosità notevole, pari a ben 0.8 magnitudini! Queste caratteristiche temporali piuttosto lunghe rendevano l’osservazione fattibile anche con normali camere CCD a patto di avere un telescopio sufficientemente grande in modo tale da usare tempi di integrazione brevi.

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Figura 4 – Il cammino dell’ombra della occultazione di Haumea sulla superficie terrestre come era previsto il 13 gennaio 2017, pochi giorni prima l’evento. La direzione del moto dell’ombra è da sud verso nord.

Perché osservare Haumea?

Lo scopo dell’osservazione di questa occultazione era la determinazione esatta della forma e la scoperta di eventuali ulteriori satelliti altre ai due già noti, Hi’aka e Namaka. Meno probabile la detection di una eventuale atmosfera rarefatta (come quella di Plutone…). La scoperta di una atmosfera e di ulteriori satelliti sarebbe stato davvero molto interessante! Considerato che una occultazione con queste opportunità non capita tutti i giorni (per Haumea sarebbe stata la prima occultazione mai osservata!) e che ci vorranno parecchi anni prima che una sonda possa esplorare direttamente Haumea, non mi sono lasciato sfuggire l’occasione e, accantonati momentaneamente gli asteroidi near-Earth, ho rivolto il telescopio verso la periferia del Sistema Solare.

Il test preliminare

Il 18 gennaio 2017, con il Telescopio Principale dell’OAVdA (diametro 81 cm, f/4.7, dotato di camera CCD FLI 1001E, 1024×1024 pixel da 24 µm di lato), ho condotto un test di ripresa su Haumea, sia per la scelta del tempo di posa sia per prendere confidenza con le stelle del campo di vista. Mai arrivare impreparati ad una occultazione! Le incognite ambientali e strumentali sono talmente tante che l’astronomo deve prendere famigliarità con il target e la strumentazione che userà almeno qualche giorno prima. Per fortuna il cielo era sereno, senza nubi o altro e Haumea era distante circa 30° dalla Luna in fase 0.68 a sud. Haumea si trovava alle coordinate equatoriali α = 14h 11m 59.9s δ = +16° 32′ 27″, con distanza geocentrica Δ = 50.53 UA (pari a ben 7.6 miliardi di km), e brillava di magnitudine mv = 17.4 muovendosi con una velocità angolare v = 0.024 “/min, davvero molto, molto lento rispetto ai NEA che studio di solito!

Dopo alcuni test ho stabilito che il miglior compromesso per l’osservazione dell’occultazione erano pose da 10 s in binning 2×2 (cioè accorpando i pixel del sensore CCD a gruppi di 4). In questo modo il rapporto segnale/rumore (o Signal to Noise Ratio, SNR), sarebbe stato SNR=10, abbastanza alto per mettere in evidenza un calo di luminosità pari a 0.8 mag. Tenendo conto della velocità dell’ombra di Haumea al suolo, una posa ogni 10 s significava avere una risoluzione spaziale di 150 km, non male per un corpo distante quasi 8 miliardi di km dalla Terra. La possibilità di rilevare un ulteriore satellite, magari non troppo piccolo, non appariva tanto remota!

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Figura 5 – Il campo di vista di Haumea ripreso la mattina del 18 gennaio 2017, durante la fase di test. La freccia rossa indica la stella target oggetto dell’occultazione da lì a tre giorni (Carbognani/OAVdA).

A questo punto ho contattato Jose-Luis Ortiz (dell’Instituto de Astrofísica de Andalucía, Spagna), coordinatore della campagna di osservazioni internazionali, per informarlo che avrei fatto l’osservazione dell’occultazione dall’OAVdA.

La notte dell’occultazione

Capita spesso, nell’osservazione di eventi astronomici rari, che le condizioni meteo impediscano di osservare vanificando così tutta la fase di preparazione. Per fortuna non è stato questo il caso: le condizioni meteo nella notte del 21 gennaio 2017 si sono mantenute ideali, senza nubi e con una buona trasparenza atmosferica mantenutasi stabile nel tempo.

Haumea è stato seguito dalle 2:00 alle 3:51 UT, riprendendo oltre 600 immagini. Ho iniziato molto prima e terminato molto dopo l’orario nominale dell’occultazione, nella speranza di riprendere occultazioni secondarie dovute a satelliti ancora sconosciuti. Haumea distava circa 30° dalla Luna, in fase 0.39 a sud-est, la cui luce però non ha costituito un ostacolo perché il cielo era perfettamente sereno e tutto ha funzionato come doveva. Come determinato il 18 gennaio, sono state fatte pose da 10 s in binning 2×2 con filtro C (clear), e con una good news: il SNR di circa 15. Il SNR è aumentato rispetto al 18 gennaio per effetto della diminuzione della fase lunare che ha ridotto la quantità di luce diffusa in cielo.

Ma l’occultazione non c’è!

In casi come questo la voglia di vedere che cosa c’è nelle immagini è irrefrenabile e, anche se erano le 5 del mattino, mi sono messo ad elaborare i dati. Però, pur avendo osservato in condizioni ideali e senza intoppi, la curva di luce risultante della stella target non mostrava attenuazioni e appariva sostanzialmente piatta. Che delusione!

Discutendone in tempo reale con Jose-Luis Ortiz via email, è uscito fuori che l’occultazione era stata vista dall’Osservatorio di Ondrejov (Repubblica Ceca), e che quindi l’evento c’era stato ma il cammino dell’ombra di Haumea era più ad est di quanto inizialmente previsto! Anche un risultato negativo però è un risultato e sono stato fra i primi osservatori ad inviare a Ortiz sia la curva di luce sia le immagini originali per una elaborazione indipendente. Certo poteva andare meglio e mi chiedevo se gli altri osservatori italiani avessero visto qualcosa…

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Figura 6 – La curva di luce ottenuta dalla occultazione di Haumea del 21 gennaio 2017. Come si vede, la luce proveniente dalla stella non ha subito nessun calo di luce rilevante e improvviso, segno che l’ombra di Haumea non è passata dove inizialmente previsto (Carbognani/OAVdA).

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Figura 7 – Mappa preliminare che mostra il cammino sulla superficie terrestre dell’occultazione di Haumea del 21 gennaio 2017. Sono indicati anche alcuni degli osservatori che hanno partecipato alle osservazioni. La Valle d’Aosta era troppo ad ovest per poter osservare il fenomeno (Credit: Ortiz).

La sorpresa di San Marcello Pistoiese

Per mitigare lo sconforto di non essere riuscito ad osservare l’occultazione, nei giorni successivi mi feci inviare le immagini riprese dall’Osservatorio Astronomico di San Marcello Pistoiese (44° 03′ 51″ N; 10° 48′ 14″ E). Con il team che gestisce l’osservatorio ci eravamo sentiti e anche nella loro fotometria l’occultazione – apparentemente – non c’era. Le osservazioni di San Marcello sono state fatte con un riflettore Newton da 60 cm di diametro a f/4, dotato di camera CCD. Il tempo di posa era di 10 s con SNR = 6, basso ma sufficiente per mettere in evidenza l’occultazione. Possibile che, pur essendo più ad est di me, non avessero visto niente? Misurando le loro immagini ed elaborando i dati però ho trovato che erano riusciti ad osservare l’occultazione, anche se per una durata molto breve, solo 20 s!

A questo punto ho allertato Ortiz mandandogli le immagini di San Marcello e la curva di luce che avevo ottenuto per una elaborazione indipendente. L’attesa del responso è stata sofferta ma, sì, l’occultazione c’era davvero e c’era anche qualcosa d’altro!

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Figura 8 – La curva di luce della stella target osservata da San Marcello Pistoiese mostra una occultazione della durata di circa 20 s. I due punti più in basso nella curva di luce sono stati ripresi alle 03:08:24 e alle 03:08:36 UT (elaborazione Carbognani/OAVdA su immagini di San Marcello Pistoiese).

Un colpo di coda: la curva di luce di Haumea

Ma il mio contributo osservativo non finisce qua. Negli anni mi sono specializzato sulla fotometria degli asteroidi NEA, quindi il giorno 23 gennaio 2017 mi sono fatto un’altra nottata insonne e ho ripreso un’intera curva di luce di Haumea, utile perché in questo modo si sarebbe potuto stabilire – con elevata precisione – quale fosse la fase rotazionale del pianeta nano al momento dell’occultazione e da qui ricavare meglio i parametri della forma. Naturalmente, l’elaborazione dei dati è partita subito dopo aver finito la ripresa delle immagini!

Chiaramente Ortiz è stato felicissimo di ricevere questo ulteriore contributo e, poche settimane dopo, ha comunicato a tutto il team che l’articolo sui sorprendenti risultati ottenuti su Haumea sarebbe stato inviato alla rivista “Nature”, uno dei pilastri fondamentali della comunità scientifica internazionale. Dopo il consueto tran-tran di revisioni, finalmente l’articolo è stato pubblicato (vedi bibliografia), e nella prossima sezione vediamo i risultati ottenuti.

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Figura 9 – La curva di luce di Haumea ottenuta la mattina del 23 gennaio 2017, due giorni dopo l’occultazione. Il periodo di rotazione risulta di circa 4 ore come atteso, la curva è quasi perfettamente bimodale (come ci si aspetta da un corpo allungato ma simmetrico) e l’ampiezza è di ben 0.3 mag, un valore notevole per un corpo così grande (Carbognani/OAVdA).

I risultati

Vediamo brevemente i principali risultati ottenuti dall’analisi dei dati da parte del team di Ortiz. Per l’elevato numero di corde che hanno campionato il profilo di Haumea questa è stata la migliore occultazione mai osservata da parte di un oggetto transnettuniano. La sparizione e riapparizione della stella dietro il profilo di Haumea è stata molto brusca e questo indica che Haumea non è dotato di un’atmosfera come Plutone, recentemente visitato dalla sonda New Horizons della NASA. Dalle corde dell’occultazione prodotta dal corpo principale è stato possibile stabilire le dimensioni dell’ellisse che meglio interpolano il profilo di Haumea al momento dell’occultazione. Questa ellisse mostra degli assi con dimensioni di 1704 × 1138 km. Queste informazioni, insieme alla curva di luce molto precisa ripresa un paio di giorni dopo l’occultazione dall’OAVdA, hanno permesso di ricostruire la forma 3D completa di questo pianeta nano. Haumea risulta avere un asse maggiore di almeno 2322 km, più grande di quanto si pensava e del tutto paragonabile al diametro di Plutone o di Eris (il più massiccio pianeta nano del Sistema Solare) che sono, rispettivamente, di 2375 e 2325 km.

Misurando la massa di Haumea  (grazie alla III Legge di Keplero applicata ai suoi satelliti) e conoscendone il volume si può ottenere la densità media che risulta di 1.7-1.9 g/cm³. Questo range di valori è considerevolmente più basso dei 2.6 g/cm³ che si pensava dovesse avere Haumea in base all’ipotesi che la sua forma allungata fosse determinata da una condizione di equilibrio idrostatico. La bassa densità media è però in linea con quello che si trova per gli altri oggetti transnettuniani.

Durante l’occultazione, prima e dopo l’evento centrale, sono state osservate delle intriganti attenuazioni secondarie nella luce della stella. Questi cali di luminosità, di breve durata e del tutto inattesi, sono imputabili ad un anello che circonda Haumea, avente una ampiezza di 70 km e un diametro di circa 4560 km. L’anello ha una opacità del 50%, vale a dire che assorbe circa il 50% della luce che lo colpisce. Quindi Haumea è come una specie di piccolo Saturno! Si tratta dell’unico oggetto transnettuniano ad avere questa caratteristica!

L’anello risulta complanare con l’equatore di Haumea e con l’orbita del maggiore dei suoi due satelliti, Hi’iaka. L’anello è all’interno del limite di Roche di Haumea, quindi le forze di marea determinate dalla gravità del pianeta nano sono sufficientemente intense per evitare che le particelle che costituiscono l’anello si aggreghino a formare un satellite come invece è successo nel caso della nostra Luna.

Il primo asteroide ad avere mostrato di possedere un sistema di anelli è stato Chariklo, un oggetto di 230 km di diametro. Anche in questo caso la scoperta è stata fatta in seguito all’osservazione di una occultazione stellare avvenuta il 3 giugno 2013.  Altro corpo minore attorno a cui il team di Ortiz sospetta la presenza di un anello è Chirone (diametro di 166 km), in base ai dati delle occultazioni stellari osservate nel 1993, 1994 e 2011. Questi asteroidi però sono di piccole dimensioni e appartengono alla classe dei Centauri, cioè sono asteroidi che si muovono fra le orbite di Urano e Saturno, in transizione fra il Sistema Solare esterno e quello interno.

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Figura 10 – Una rappresentazione artistica dell’anello di Haumea visto dalla superficie del pianeta nano (Credits: Sylvain Cnudde – SIGAL – LESIA, Observatoire de Paris).

La scoperta di un anello intorno ad Haumea, un corpo molto distante dal Sole, in una classe dinamica completamente diversa, molto più grande di Chariklo e Chirone, che possiede un paio di satelliti e con una strana forma triassiale, pone numerose domande. Ad esempio, è possibile che gli anelli siano strutture comuni attorno ai grossi oggetti della fascia di Kuiper? E se la risposta è positiva, come si sono formati? Forse nella Fascia di Kuiper l’evoluzione collisionale è stata molto più violenta di quanto si pensava fino ad ora? Gli anelli hanno a che fare con la strana forma di Haumea? E perché Haumea non ha un’atmosfera rarefatta come Plutone?

Come si vede le domande a cui rispondere sono tante e si possono spalancare nuovi orizzonti, per capire sempre meglio come si sono formati e come evolvono i corpi del Sistema Solare.

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Figura 11 – Una rappresentazione artistica di Haumea (a sinistra) nella stessa scala di un’immagine reale di Plutone ripresa dalla missione New Horizons della NASA nel 2015 (a destra). Come si vede l’asse maggiore di Haumea è comparabile al diametro di Plutone (Credits: IAA-CSIC/UHU).

Bibliografia

Ortiz et al. (2017). “The size, shape, density and ring of the dwarf planet Haumea from a stellar occultation”. Nature, Vol. 550, 219–223 .

 

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