La Super Terra di Halloween... e i pianeti extrasolari A.A.Nucita
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La Super Terra di Halloween...
e i pianeti extrasolari
A.A.Nucita
Sommario
Introduzione
Metodi di rivelazione
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
Un pò di geometria e forse anche di fisica
Metodi di rivelazione
Velocità radiali
Astrometria
Transiti planetari
Lensing gravitazionale
Immagini dirette
Dati sperimentali
Candidati rivelati
Diagrammi di correlazione
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Rappresentazione artistica di come
apparirebbe il cielo osservato da una luna
di HD 188753 Ab, il primo esopianeta
scoperto all'interno di un sistema stellare
triplo.
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
Le tappe fondamentali della ricerca degli esopianeti:
Ø Era pre-contemporanea;
Ø 1989 - David Latham del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e
quattro suoi collaboratori trovano forti indizi di quello che poteva essere un
pianeta in orbita attorno alla stella HD 114762;
Ø 1992 - Alexander Wolszczan della Pennsylvania State University e Dale A.
Frail del National Radio Astronomy Observatory usano un metodo per
misurazioni temporali molto accurato per scoprire due pianeti di massa simile
a quella terrestre in orbita attorno alla pulsar PSR B1257+12;
Ø 1995 - Michel Mayor e Didier Queloz dell'Osservatorio di Ginevra
individuano un esopianeta con massa pari a circa 150 volte quella
della Terra che compie un'orbita completa in appena 4,2 giorni terrestri
attorno alla stella 51 Pegasi;
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
Ø 1999 - Scoperto un pianeta transitante davanti la stella HD 209458;
Ø 1999 - Rivelato da parte dei team degli osservatori Lick e Whipple il primo
sistema planetario triplo attorno alla stella di tipo solare υ Andromedae;
Ø 2003 - Rivelato il primo pianeta attraverso il microlensing (OGLE-2003-
BLG-235 o MOA-2003-BLG-53);
Ø 2007 - Ricavato il primo spettro di un pianeta transitante;
Ø 2008 - HST fornisce le prime immagini dirette di pianeti extrasolari: uno
attorno alla stella Fomalhaut e tre attorno a HR 8799;
Ø 2009 - Individuato il primo candidato come pianeta extra-galattico in M31;
Ø2009 - Rivelato dal JPL (CalTech) il primo esopianeta col metodo
astrometrico attorno alla stella VB 10;
Ø 2009 - Scoperto il pianeta roccioso CoRot7-b, il più piccolo e veloce
esopianeta;
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
Ø 2010 - Tra i nuovi compagni di Gliese 581 forse uno è abitabile;
Ø 2011 - Kepler presenta 1235 nuovi candidati al ruolo di esopianeti;
Ø 2011 - Kepler rivela il suo primo pianeta nella zona abitabile di una stella di
tipo solare, si tratta di Kepler-22b; E’ un gigante roccioso con raggio pari a
2.5 Rt.
Ø 2011 - Kepler-20: un sistema con 5 pianeti di cui 2 di dimensioni terrestri;
Ø 2012 - Kepler 34-b e Kepler 35-b: i primi pianeti attorno a stelle binarie;
Ø 2012 - KOI-96: un mini
sistema planetario;
Ø 2012 - Nella MW si prevede
ci siano circa 10^11 pianeti,
la maggior parte dei quali
di tipo roccioso;
NASA's Exoplanet Exploration Program
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
Ø 2012 - Kepler conclude l’anno osservativo con 2740 candidati al ruolo di
esopianeta. Il 43% è in corrispondenza di sistemi multipli. 105 già confermati;
Massa Giove = 318 Massa Terra
Ø 2018 – Il team di
Kepler annuncia 4496
pianeti osservati, 2341
pianeti confermati, 30
pianeti nella ZONA
ABITABILE!
Tipicamente i pianeti osservati mostrano dimensioni molto maggiore della Terra
Raggio Giove = 11 Raggio Terra
E periodi anche molto rapidi…
Periodi orbitali O lunghi
Inferiori a 1h ! migliaia di anni
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione
La ricerca di pianeti extra-solari ed extra-galattici è a tutti gli effetti una scienza
“giovane” e in continua evoluzione.
Un paio di motivazioni per tale ricerca degne di nota:
Ø approfondire l'attuale comprensione circa la formazione dei singoli pianeti;
Ø testare vecchi e nuovi modelli sull'origine, l'evoluzione e la struttura dei
sistemi planetari;
Ø ricercare eventuali forme di vita extra-terrestre .
Le difficoltà di rivelazione sono dovute al fatto che gli esopianeti:
Ø non brillano di luce propria ma riflettono quella della stella genitrice;
Ø si trovano ad elevate distanze dall’osservatore e molto prossimi alla stella.Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione: le leggi di KepleroUn pò di geometria…
Usando le coordinate polari…
Isaac Newton (1642-1727)
Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione: la legge di Newton
La gravità è una forza di attrazione che esiste fra due
masse, corpi o particelle, dovunque esse siano
nell’Universo.
In formule:
F=Gm1m2 / r2,
dove G è chiamata Costante Gravitazionale.
L'effetto della gravità si estende da ogni corpo in tutte le
direzioni dello spazio, e fino a distanza infinita.
Tuttavia, la sua intensità si riduce molto velocemente
all'aumentare della distanza tanto che (ad esempio) non ci
rendiamo conto dell’attrazione che la Luna esercita su di
noi.Sommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione: la legge di Newton
m
r
Che risolta (ma la faccenda è complicata) vi
permette di calcolare l’orbita percorsa dal
“pianeta”, ovvero…
MSommario Un pò di storia
Introduzione Un pò di geometria
Metodi di rivelazione La legge di gravitazione di Newton
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Introduzione: la legge di Newton
m
dove
r
RICONOSCETE L’EQUAZIONE?
Mm
r
M
Cos’è il centro
di massa?La funzione di massa
P, v, a, i ?P si misura facilmente: basta osservare qualcosa che si ripete “periodicamente”! Ma v? Fortunatamente c’è l’effetto Doppler! L’effetto Doppler è quel fenomeno per cui sentiamo un suono più acuto quando la sorgente si avvicina e più grave quando si allontana!
Effetto Doppler: Velocità di un oggetto (quale una galassia)! Analogamente…una sorgente apparirà più rossa se in allontanamento e più blu se in avvicinamento ad un osservatore!
VELOCITA’ RADIALI: quello che si osserva e che si misura in pratica!
v
vx
OsservatoreSommario
Velocità radiali
Introduzione
Astrometria
Metodi di rivelazione
Transiti planetari
Dati sperimentali
Lensing gravitazionale
Missioni in atto e prospettive future
Immagini dirette
Bibliografia e links
Velocità radiali
Se l'asse di rotazione del sistema non
coincide con la linea di vista si nota lo
spostamento delle righe di
assorbimento/emissione nello spettro della
stella per effetto Doppler.Sommario Velocità radiali
Introduzione Astrometria
Metodi di rivelazione Transiti planetari
Dati sperimentali Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
I limiti delle velocità radiali: sensibilità attuale del m/s à cm/sSommario
Velocità radiali
Introduzione
Astrometria
Metodi di rivelazione
Transiti planetari
Dati sperimentali
Lensing gravitazionale
Missioni in atto e prospettive future
Immagini dirette
Bibliografia e links
Astrometria
Sempre a causa dell'interazione esopianeta-stella,
quest'ultima può variare la sua posizione rispetto
alle stelle piu lontane, che perciò risultano “fisse”.
Dalla misura della variazione periodica della
posizione relativa degli astri si possono ottenere
delle utili informazioni sul pianeta che orbita
attorno alla sua stella genitrice. Naturalmente lo
spostamento della posizione della stella è tanto
maggiore quanto maggiore è il rapporto delle masse
e la distanza dell’esopianeta dalla stella, secondo la
relazione a lato. Nel caso del sistema Sole/Giove, m
visto da una distanza di 5 pc, d=1 mas (10 volte
d Stella −CM = a
M +m
inferiore della massima risoluzione di HST).Sommario Velocità radiali
Introduzione Astrometria
Metodi di rivelazione Transiti planetari
Dati sperimentali Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari
Il passaggio del pianeta davanti
alla stella compagna produce
una discreta diminuzione
periodica della luminosità
di quest'ultima. Dallo studio
di tale effetto si può risalire
al raggio del pianeta, quindi
alle sue dimensioni. Tuttavia
la forma precisa della curva di
luce oltre che dal suddetto raggio
dipende anche da parametri stellari (massa e raggio) e dall'inclinazione tra la
linea di vista ed il piano orbitale del sistema considerato.Sommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari: cioè eclissi su Soli lontani!
Angoli prossimi a 90 gradi!Sommario Velocità radiali
Introduzione Astrometria
Metodi di rivelazione Transiti planetari
Dati sperimentali Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti
Transiti planetari:
planetari: simuliamone
simuliamone uno! uno (utile a capire!)
Esercizio per i volenterosi. Basta un pò di trigonometria :-(r/Δti,e=R*/ Δ t
Sommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari
CoRoTof7 HD209458
HST measurement
Facendo uso dei parametri così ottenuti Tramite questo metodo si può
e nota la massa della stella (per altre avere anche un’idea sulla
vie) si può risalire alla densità del composizione dell’atmosfera
pianeta, discriminando quindi il dell’esopianeta dal momento che la
carattere terrestre (roccioso) da quello luce proveniente dalla stella viene
gioviano (gassoso). “filtrata” dall’atmosfera del pianeta
e rilevata dagli spettroscopi a terra.Sommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari: COROT, KEPLERSommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari: COROT, KEPLER
Olre 4000 pianeti
identificati
alla ricerca dei
“golden planet”…
ovvero “pianeti
abitabili”Sommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Transiti planetari: COROT, KEPLERSommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Ad oggi (2018)
Candidate: 2,245
Confirmed: 2,342
Confirmed less than
twice Earth-size in the
habitable zone: 30Velocità radiali
Sommario
Timing
Introduzione
Astrometria
Metodi di rivelazione
Transiti planetari
Dati sperimentali
Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future
Lensing gravitazionale
Bibliografia e links
Immagini dirette
Transiti planetari
Si stimano I “punti
di contatto” e quindi
le durate di
ingresso, egresso
ed eclisse.
Semplicemente
usando queste
stime, potremo
valutare la
dimensione relativa
della sorgente e
dell’oggetto
oscurante. Infatti:
r/Δti,e=R*/ Δ tVelocità radiali
Sommario
Timing
Introduzione
Astrometria
Metodi di rivelazione
Transiti planetari
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Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future
Lensing gravitazionale
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Immagini dirette
Immagini diretteVelocità radiali
Sommario
Timing
Introduzione
Astrometria
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Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future
Lensing gravitazionale
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Immagini dirette
Immagini diretteVelocità radiali
Sommario
Timing
Introduzione
Astrometria
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Transiti planetari
Dati sperimentali
Rivelazione decametrica
Missioni in atto e prospettive future
Lensing gravitazionale
Bibliografia e links
Immagini dirette
Immagini dirette
Oggigiorno lo sviluppo tecnologico ha
reso possibile rivelare direttamente corpi
celesti a grandi distanze per mezzo di
potenti telescopi sia a terra che in orbita
attorno al nostro pianeta.
Le tecniche usate sfruttano l'interferenza
distruttiva e i coronografi per occultare
la luce della stella e rivelare il pianeta
orbitante.Sommario Velocità radiali
Introduzione Timing
Metodi di rivelazione Astrometria
Dati sperimentali Transiti planetari
Missioni in atto e prospettive future Lensing gravitazionale
Bibliografia e links Immagini dirette
Lensing gravitazionale: Einstein
Il Campo Gravitazionale di un oggetto “deforma” lo spazio-tempo. E’ come se i corpi si
muovessero su un lenzuolo incurvato seguendone gli affossamenti!LENTE GRAVITAZIONALE 1.7” Anche la luce si comporta nello stesso modo e risente dell’attrazione della gravità! Prima prova della Teoria della Relatività (1919, Sir Artur Eddington)
About gravitational lensing…(wrong Newtonian approach!)
Let us consider the Sun deflecting a light ray coming from a distant source
Let m=hν/c2 and M be the “mass” of the
incoming source photon and of the Sun,
respectively. Hence
! GmM !
F =− 2 2 3/ 2
r
(b + y )
GmM
Fx = − 2 2 3/ 2
b
(b + y )
Since mdvx /dt=Fx one has
+∞
GMb 2GM
vx = ∫ − dt = −
−∞
(b 2 + y 2 ) 3 / 2 cb
vx 2GM rs
φ≅ ≅ ≅ ≅ 0.84' '
c Rc 2 R
2GM
rs =
c2About gravitational lensing…(Relativistic approach!)
Let us consider the Sun deflecting the light rays from a distant source
For a flat space (Minkoswskian space-time) the metric is
ds 2 = c 2 dt '2 −dr '2 1)
Let us consider two coordinates (t,r). The Schwarzschild metric describing the space-time
around a massive object is
−1
⎛ r ⎞ ⎛ r ⎞
ds 2 = c 2 ⎜1 − s ⎟dt 2 − ⎜1 − s ⎟ dr 2 2)
⎝ r⎠ ⎝ r⎠
Equations 1) and 2) entail c=dr’/dt’ and v=dr/dt=c(1-rs/r), respectively. Hence the effect of
the space-time curvature on the light ray paths can be explained once a refraction index n is
introduced −1
c dr ' dt ⎛ rs ⎞ rs 2
n= = = ⎜1 − ⎟ ≅ 1+ ≅ 1− 2 Φ
v dt ' dr ⎝ r⎠ r c
where Φ=-GM/r.When the light rays pass trough the gravitational field, the deflection angle is given by
2
φ = − ∫ ∇ ⊥ ndl = 2 ∫
∇ ⊥ Φdl
c
GM GMb
Φ=− 2 ∇⊥Φ =
(b + y 2 )1/ 2 (b 2 + y 2 )3 / 2
and
2 GMb 2 2GM rs
φ= ∫ (b 2 + y 2 )3 / 2 dy = = 2
c2 c2 b b
For the Sun (b=Rsun) one obtains
φ ≅ 1.75' 'Micro-lensing
4M
αs ≅
b
Hence, fixing the source
position and solving a quadratic
equation will result in image
positions.Standard microlensing
Astrometric microlensing
Image positions change during relative motion. This is the key for astrometry. What
you see depends on the telescope!θ dθ If the resolving power of your telescope is larger than the
A=Image Area / Source Area = image separation, the event will pop up as a microlensing
θs dθs event, provided that the impact parameter u0 is small
enough to give a measurable flux enhancement which is
time dependent.
u2 + 2
A= u(t ) = θ s (t ) / θ E
2
u u +4
A>1u
Point-like caustic
η
u0 u (t )
2 RE
ΔT ≅
v⊥ ξAn example: PA-99-N2 - Individuato il primo candidato come pianeta extra-galattico in M31 (Ingrosso et al., 2009)
Microlensing and binaries
Binary sources and single lens: trivial exercise, just apply the single
source-single lense case twice and get the overall amplification.
Single source and binary lens case: not trivial since the effects are not linear.
Use complex notation and solve the problem.
A third (small) body may be easily considered by assuming superposition of
amplification maps.
Or, generally, solving the map equation via numerical methods as IRS. This also
holds for N lenses: AGN flickering may be explained by N intervening lenses.
Binary sources and binary lenses: just a combination of the above
Finite source and orbiatl motion can be easily accounted for.Microlensing in binary lens and single sources
b, q, ϑ, α
2
3
a) Analytical methods far from caustics (Witt 1990,
Skowron & Gould2012)
b) Inverse ray Shooting methods close to them
(Schneiders, Ehlers, falco, 1992)
Magnification maps are 2D arrays of solutions of 2) with each pixel
representing the amplification of the source at a point at a given time.Microlensing by binaries is becoming one of the best methods to detect exoplanets
As an example see Rattenbury et al., 2017, MNRAS. Mp=3Mj
min(Mp) = 4 ×10 −3 Mj
67 PLANETS FOUND SO FAR!LA SUPER TERRA DI HALLOWEEN
TCP J05074264+2447555 Feynman-01
La sorgente è osservata in “burst” da Kojima (UT 2017-10- 25.688) verso la
regione del Toro (alle coordinate J2000 RA=05h07m42.64s , DEC=+24◦47′ 55.5
′′), verso l’anticentro galattico (l=178.7552◦ , b=−9.3278◦ ).
AAVSO si allerta in quanto l’evento è
inizialmente interpretato come una nuova
variabile cataclismica. Un alert è inviato
a tutti gli osservatori BCA (incluso FO).
REMIND: il nostro strumento è al
momento ROTTO e ci
appoggiamo all’osservatorio FO di
D.L. per osservare sorgenti
interessanti. TCP lo è e da quel
momento, si inizia a seguire la sua
evoluzione.
Riconosciamo sin da subito che l’evento
è di lente gravitazionale. Pensiamo pero’
ad una lente singola.1) L’evento, data la posizione straordinaria, è altamente improbabile (tau di ordini di grandezza inferiore a quella attesa verso il bulge). 2) Un fit iniziale ai dati ASAS-SN (con una curva di Paczinsky) ci convince dell’interpretazione iniziale (i nostri dati presi al picco nel frattempo non sono ancora ridotti). V~11.5 t_0=2458058.80 +/- 0.03 days u_0=0.091 +/- 0.005 t_E = 26.7 +/- 1.2 days (no blending) ATel #10923, Jayasinghe et al., 2017. 3) I dati della notte di Halloween nascondono una sorpresa…
Strumenti ordinari: 1) da 18 a 60 cm 2) Filtri BVRI
b, q, R
The source
THE LENS (x=0.5) GOOD GALACTIC MODEL (Bulge, Disk, Halo) Observational Constraints (Ds, Te)
FEYNMAN-01 (o la super Terra di Halloween)
Mp = 9.2+-6.6 M⊕ (una super Terra)
Rp = 0.56 AU, P = 8.2 mesi
V =20 mas/year
Ds=380 pc (la più vicina lente mai osservata)
Verso l’anticentro galattico! ML=0.25 M⦿ (nana bruna-rossa)
F>0.93LENTE GRAVITAZIONALE
A BMICRO Lenti Gravitazionali, Esperimenti
A B
EROS2 #5
La probabilità che avvenga un evento è
infatti solo di 1 su un milione per ogni
stella L. Oggi, si possono osservare
contemporaneamente milioni di stelle J.
Le campagne sono molto lunghe L,
tediose L e si lotta con il cattivo tempo L
LLIngrosso et al., 2009, MNRAS,
399, 219
scoperto il primo pianeta
EXTRAGALATTICO!Sommario
Introduzione
Metodi di rivelazione Candidati rivelati
Dati sperimentali Diagrammi di correlazione
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Immagini di correlazioneSommario
Introduzione
Metodi di rivelazione
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Missioni in atto…
Alcuni tra i più importanti esperimenti in atto:
Ø HST - NASA - 1990
Ø VLT - ESA - 1999/2002 - Interferometria
Ø MOST - CSA - Giugno 2003 - Transiti
Ø HARPS - ESO - 2003 - Velocità radiali
Ø Spitzer - NASA - Agosto 2003 - Spettroscopia
Ø EPOCh - NASA - Gennaio 2005 - Transiti
Ø LBT - USA, De, It - Arizona - 2006 - Interferometria
Ø CoRoT - CNES - Dicembre 2006 - Transiti
Ø Kepler - NASA - 6 Marzo 2009 - Transiti
Ø LOFAR - ASTRON - 2012 – Rivelazione decametricaSommario
Introduzione
Metodi di rivelazione
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
… e prospettive future
Progetti in fase di ultimazione:
Ø SIM - NASA - 2015 - Astrometria
Ø TPF Coronagraph - NASA - Coronografia
Ø TPF Interferometer - NASA - Interferometria
Ø Gaia - ESA - 2013 - Transiti, VR, Astrometria
Ø JWST - ESA / NASA - 2014 - Interferometria
Ø Darwin - ESA - 2015 - InterferometriaSommario
Introduzione
Metodi di rivelazione
Dati sperimentali
Missioni in atto e prospettive future
Bibliografia e links
Bibliografia e links
Solar and Extra - Solar Planetary Systems - Williams, Thomas – LNP
Encyclopedia of the Solar System (2nd ed.) - McFadden, Weissman, Johnson
http://exoplanet.eu
http://planetquest.jpl.nasa.gov/index.cfm
http://sci.esa.int/Gaia
http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=39
http://smsc.cnes.fr/COROT
http://www.kepler.nasa.gov/
http://planetquest.jpl.nasa.gov/
http://exep.jpl.nasa.gov/LA FINE? Qualche volta i pianeti si distruggono
Puoi anche leggere
