ARIEL è la missione di classe m4 che ESA ha selezionato per la caratterizzazione chimica di atmosfere di esopianeti. ARIEL osserverà un campione variegato di 1000 esopianeti transitanti, raccogliendo misure in spettroscopia nel range di lunghezze d'onda tra 0.5 e 7.8 micron. Per garantire il successo della missione è fondamentale stimare le performance del payload durante lo sviluppo della strumentazione, caratterizzare le sorgenti di rumore e porre dei vincoli sul design. A questo scopo ho sviluppato un nuovo software in grado di simulare interamente il telescopio e le sue osservazioni: ArielRad. Con questo strumento posso fornire alla collaborazione che sta sviluppando la missione informazioni sempre aggiornate sulle capacità del telescopio e la qualità della scienza che può produrre.
ArielRad è il primo software nel suo genere. Nessuna missione a questo stadio ha un simulatore così complesso e omnicomprensivo. Grazie al suo continuo sviluppo e mantenimento, posso fornire al Consorzio di ARIEL informazioni sempre aggiornato sullo stato della missione e una valutazione del design. I risultati delle mie simulazioni dimostrano da soli l'importanza dell'introduzione di queste nuove tecnologie nel framework delle missioni scientifiche, definendo nuovi standard per il futuro.
Un ulteriore avanzamento dello stato dell'arte nella scienza degli esopianeti viene dall'integrazione tra ArielRad e TauREX. Il secondo è un simulatore di atmosfere di esopianeti sviluppato alla University College of London, capace, data la chimica, di generare lo spettro osservato di un'atmosfera. TauREX lavora anche al contrario però: dato lo spettro di un'atmosfera osservata, è in grado di ricostruire la chimica del pianeta. TauREX, e simili simulatori, saranno componenti fondamentali della scienza degli esopianeti a cui ARIEL aprirà la strada.
Integrando ArielRad e TauREX potremmo ottenere dalle simulazioni degli spettri misurati una stima delle abbondanze chimiche e delle condizioni termodinamiche. Con questo simulatore congiunto potremmo quindi studiare la nostra capacità di misurare queste grandezze per differenti tipologie di pianeti (Terre, super-Terre, Nettuniani e Gioviani per temperature oltre i 600 K). Potremmo poi studiare la capacità di ARIEL di mettere dei vincoli sulle tipologie di pianeti, ma anche di atmosfere: ad esempio, potremmo indagare sulla presenza o meno di un'atmosfera secondaria su Terre e super-Terre, e confermare o meno la sua assenza nelle altre tipologie di pianeti. Questo ci permetterebbe per la prima volta di mappare la transizione tra i pianeti che hanno atmosfera secondaria e quelli che hanno solo atmosfera primaria. Sempre con il prodotto nato dall'unione di questi simulatori potremmo studiare quelli che riteniamo essere i traccianti della formazione ed evoluzione dei pianeti. Un esempio è il rapporto C /O, la cui abbondanza è misurabile grazie alle atmosfere ben mescolate e non stratificate. Tale rapporto racconta dove si è formato il pianeta e quindi tutta la sua storia evolutiva: se questo pianeta viene osservato in un luogo in cui il rapporto C /O è molto diverso da quello al suo interno, evidentemente è un pianeta che ha migrato dal suo luogo di origine. Ma questo è solo un esempio di tracciante per la storia dei pianeti, altri esempi sono Si, C, N, S e Fe, la cui abbondanza relativa è indicativa degli spostamenti di orbita effettuati dal pianeta e della velocità con cui è migrato.
Quello che ci proponiamo di fare è quindi sviluppare nuove tecniche di analisi legandole direttamente alla domanda scientifica che ha portato alla scelta di ARIEL come missione ESA: come si formano e come si evolvono i pianeti?