Studio di stabilità dinamica della regione di abitabilità di sistemi planetari con componenti massicce di lungo periodo

The fast-developing field of exoplanetology has proven the existence of an ever growing number of Jupiter- and Earth-like exoplanets inside the Milky Way galaxy; an interesting related problem is provided by the search for planetary systems representing scaled-down analogs of our own Solar System architecture, featuring giant planets and terrestrial companions within the system's habitable zone. The objective of this master thesis lies in the determination of the the habitable zone's dynamical stability of twenty planetary systems composed of a Sun-like central star and a single known giant planet on a long period orbit. This sample of systems is currently the focus of a high precision radial velocity study carried out by the HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) spectrograph mounted on the ESO's 3.6 m telescope at La Silla Observatory (Chile) in an observational project under INAF-OATO PIship. This thesis study was carried out by means of dynamical simulations via the MERCURY n-body integration package, injecting terrestrial and super-terrestrial test planets at the center of the habitable zone with varying values of eccentricities and relative inclinations and determining its final fate after 10^7 years of orbital evolution. The habitable zones boundaries were newly calculated for each host star using the climatic model presented in Kopparapu et al. (2013). Eleven out of the twenty systems are shown to have a dynamically stable habitable zone, although the number of such stable systems falls as the test planet's eccentricity and relative inclination grow. Peculiar cases are provided by the giant planets HD 114729 b, HD 143361 b, HD 152079 b, HD 187085 b, whose orbits lie within their system's habitable zone and could therefore be targets of interest in the search for habitable exomoons. Moreover, a Super-Jupiter planet or possible brown dwarf (HD 38801 b) is known to have zero or very low orbitable eccentricity, blessing the system with unusual stability even under high values of realive inclination; follow-up studies focusing on the past dynamical evolution of such system could however lower our chances of actually finding additional planetary companions. The results of this master thesis will be used as important guidelines for the interpretation of the sample's HARPS observations, especially when the star's radial velocity signals are found to be compatible with the existence of low-mass planets on potentially habitable orbits. Furthermore, we propose as possible future ramifications modifying the MERCURY software package by including significant upgrades or rather writing an all-new integration software, and extending the dynamical analysis to the thousands of giant planets to be found by the Gaia mission. Upgrading the current habitable zones models in order to account for potential moons orbiting giant exoplanets inside the circumstellar habitable zone, such as the aforementiones four planets, can also be an important step forward for exoplanetology.

Il crescente campo dell'esoplanetologia ha dimostrato l'esistenza di un sempre più elevato numero di esopianeti gioviani e terrestri all'interno della Via Lattea; un interessante problema in questo ambito è rappresentato dalla ricerca di sistemi planetari che riproducano su scala ridotta l'architettura del sistema solare, caratterizzata dalla presenza di pianeti massicci con compagni di tipo terrestre all'interno della regione di abitabilità. Obiettivo del presente lavoro di tesi è la determinazione della stabilità dinamica della fascia di abitabilità di venti sistemi planetari con stella centrale di tipo solare e un singolo compagno planetario noto di tipo gioviano su un'orbita di lungo periodo. Questo campione è oggetto di monitoraggio con velocità radiali di alta precisione con lo spettrografo HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) installato sul telescopio di 3.6 m di diametro dell'ESO all'Osservatorio di La Silla (Cile) nell'ambito di un programma osservativo con PIship INAF-Osservatorio Astrofisico di Torino. Lo studio è stato eseguito attraverso simulazioni dinamiche effettuate con il pacchetto di integrazione n-body MERCURY, inserendo nella fascia abitabile pianeti campione terrestri e superterrestri su una griglia di eccentricità ed inclinazioni relative al gioviano, determinandone il destino dopo 10^7 yr di evoluzione orbitale. L'identificazione della regione di abitabilità di ogni stella ospite è stata effettuata seguendo il modello climatico sviluppato in Kopparapu et al. (2013). Dei venti sistemi, undici hanno mostrato una fascia abitabile stabile, frazione che decresce all'aumentare dell'inclinazione relativa e dell'eccentricità del pianeta di test. Si segnalano i casi interessanti di HD 114729 b, HD 143361 b, HD 152079 b, HD 187085 b, la cui orbita occupa la fascia abitabile del sistema e che possono dunque rappresentare oggetti importanti nella ricerca di esolune abitabili. Un supergioviano o possibile nana bruna (HD 38801 b) ha inoltre eccentricità nulla o estremamente bassa conferente al sistema una fascia abitabile stabile anche ad alte inclinazioni relative; futuri studi sull'evoluzione dinamica passata del sistema potranno ridurre le possibilità di trovare ulteriori compagni planetari. I risultati di questo lavoro di tesi costituiranno delle linee guida fondamentali nell'interpretazione delle osservazioni HARPS del campione, particolarmente nei casi di individuazione di segnali di velocità radiale compatibili con la presenza di compagni planetari di piccola massa su orbite potenzialmente abitabili. Si propongono infine come possibili sviluppi futuri l'implementazione di significative migliorie al pacchetto di integrazione MERCURY o la scrittura di un nuovo programma di integrazione n-body e la possibile estensione dell'analisi dinamica a campioni di migliaia di sistemi di tipo gioviano su lungo periodo identificati dalla missione Gaia. L'espansione del concetto di fascia abitabile a potenziali esolune attorno a compagni massicci all'interno della regione di abitabilità, quali i quattro individuati in questo lavoro, può inoltre rappresentare un'importante evoluzione dell'esoplanetologia.