Dottorato in ASTRONOMY, ASTROPHYSICS AND SPACE SCIENCE

Titolo della tesi: Characterising young exoplanets and their host stars

Alcuni decenni fa è stato scoperto il primo pianeta al di fuori del Sistema Solare (“esopianeta”). Questa scoperta ha segnato un punto di svolta nel settore, poiché da quel momento il numero di esopianeti scoperti è aumentato in modo esponenziale. Tuttavia, rimangono ancora molte domande aperte sulla formazione planetaria e sulla sua evoluzione rispetto all'ambiente del disco protoplanetario e alle caratteristiche della stella ospite. Nel tempo, sono stati sviluppati diversi metodi di analisi e tecniche di riduzione dei dati, oltre che strumentazione innovativa e performante, montata su telescopi terrestri e spaziali. Il contributo di tutti questi fattori sta consentendo non solo di scoprire, ma anche di caratterizzare i segnali planetari e di raggiungere una comprensione completa del sistema pianeta-stella e della demografia planetaria. Ciò sta diventando possibile anche in sistemi giovani o in formazione, dove le stelle sono molto luminose e attive, avendo quindi un segnale dominante che è difficile da modellare e rimuovere per svelare una possibile firma planetaria nascosta. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è condurre uno studio che analizzi tutti questi aspetti, dalla caratterizzazione stellare a quella planetaria per sistemi relativamente giovani (<1 Gyr) e che studi sistemi in formazione (<10 Myr) dove i protopianeti sono ancora immersi nel disco protoplanetario, mentre accrescono polvere e gas. Le principali domande a cui rispondere su questi sistemi riguardano come l'evoluzione planetaria sia influenzata dalle abbondanze chimiche nell'atmosfera della stella centrale e quali siano le possibili correlazioni tra le proprietà di stella e pianeti, quale sia la composizione dei pianeti di piccola massa nelle loro prime fasi di evoluzione, dove si formano i pianeti all'interno del loro disco, e quali siano le scale temporali per la loro formazione ed evoluzione. Lo studio è stato condotto analizzando dati acquisiti con tre principali metodi di rilevamento di esopianeti: fotometria di transito, follow-up di velocità radiali (RV) tramite spettroscopia ad alta risoluzione e imaging diretto ad alto contrasto. Sono stati usati dati dal satellite spaziale Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), dallo High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher for the Northern Hemisphere (HARPS-N) installato presso il Telescopio Nazionale Galileo (TNG) a La Palma (Spagna) e dallo strumento di imaging ad alto contrasto assistito da ottica adattiva nella banda del visibile SHARK-VIS, installato presso il Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona (USA). Il progetto è suddiviso in tre fasi. La prima fase è legata alla caratterizzazione di stelle giovani: dieci target relativamente giovani osservati con TESS e soggetti a follow-up spettroscopico con HARPS-N al TNG, sono stati selezionati per la loro giovane età e perché ospitano almeno un pianeta transitante confermato. Hanno tutti temperature efficaci superiori a 5000K e velocità rotazionali inferiori a 20km/s. Lo scopo di questa fase è stato misurare in modo omogeneo i parametri stellari e le abbondanze di molti elementi chimici, rilevanti per la formazione planetaria, al fine di investigare possibili correlazioni tra le proprietà stellari e planetarie. Questa fase è stata condotta nel contesto del progetto GAPS (Global Architecture of Planetary Systems; Covino et al. 2013), all'interno del suo programma “Young Objects” (YO). La seconda fase si basa sulla validazione di un candidato planetario: una stella relativamente giovane è stata selezionata dalla lista dei TESS Object of Interest, TOI-5734, e quindi potenzialmente orbitata da un pianeta transitante. È stato eseguito un follow-up di velocità radiali del target con HARPS-N nell'ambito dei programmi GAPS-YO e Ariel Mass Survey (ArMS), grazie al quale l'origine planetaria del segnale è stata confermata e il pianeta, TOI-5734b, è stato caratterizzato, determinandone massa e densità. Il pianeta risulta essere un sub-nettuniano, particolarmente denso per la sua categoria. Dalla posizione del pianeta nel diagramma massa-raggio, risulta compatibile sia con un pianeta 100% Roccioso (nucleo di ossidi di magnesio-silicato), sia con un pianeta al 99.9% di tipo Terrestre (nucleo di ferro-silicati) con un inviluppo di H2 dello 0.1%, sia con un “mondo acquatico” con 50% di H2O e 50% di composizione terrestre. Da simulazioni sull'evoluzione atmosferica, è stata prevista l'evaporazione di una potenziale atmosfera primaria in 300 milioni di anni. La terza fase è dedicata alla ricerca di pianeti in accrezione tramite imaging diretto, come parte del progetto SHARK-VIS (Pedichini et al. 2022, 2024), e si basa sullo studio di dati di imaging ad alto contrasto di target nella regione di formazione stellare del Toro-Auriga con SHARK-VIS. In particolare, ho studiato CQ Tau, una stella T-Tauri a una distanza di 150pc per la quale erano stati riportati in letteratura indizi di pianeti in orbita attorno alla stella centrale. In questa fase del dottorato abbiamo analizzato le prime immagini ad alto contrasto del target nel visibile (specificamente in banda Hα), che hanno aiutato a confermare nella banda ottica la morfologia del disco; sebbene nessun candidato planetario sia stato rilevato in Hα da SHARK-VIS, abbiamo potuto stabilire nuovi limiti di contrasto sulla presenza di pianeti giganti in accrescimento. In conclusione, questa ricerca ha contribuito a costruire un campione di parametri e abbondanze atmosferiche misurati in modo omogeneo e preciso per target giovani, aiutando a dedurre correlazioni tra le caratteristiche stellari e planetarie anche nelle prime fasi di evoluzione delle stelle e a confrontarle con target più vecchi. Questo studio ha contribuito a validare un nuovo pianeta giovane, un sub-nettuniano ad alta densità, e caratterizzarlo con una stima di massa. Questo pianeta si aggiunge al piccolo campione di target giovani scoperti, al fine di ampliarne la statistica e consentire studi migliori sull'evoluzione e la composizione planetaria. Infine, ho lavorato e contribuito allo sviluppo della tecnica di imaging ad alto contrasto nel visibile, analizzando per la prima volta a lunghezze d'onda ottiche il disco di formazione planetaria di CQ Tau e stabilendo limiti nuovi e più stringenti sulla presenza di protopianeti in accrescimento attorno a questo target.