Interazione Stella-Pianeta

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Stella e pianeta evolvono e interagiscono per tutta la loro vita. I fenomeni d’interazione possono essere suddivisi in tre categorie: interazioni gravitazionali e fenomeni mareali; irraggiamento delle atmosfere planetarie, che dà luogo a foto-evaporazione atmosferica e a processi fotochimici; interazioni dovute a trasporto di materia, con fenomeni di accrescimento sulla stella o di perturbazione delle atmosfere planetarie dovuta al vento stellare e alle Espulsioni Coronali di Massa (CME).

L’esistenza di questo tipo di interazioni è suggerita da numerose evidenze osservative, ma l’importanza relativa dei possibili fenomeni fisici in funzione dell’età della stella e dell’architettura dei sistemi planetari è oggetto di ricerca d’avanguardia. L’obiettivo del nostro team è comprendere quali sono gli effetti di queste interazioni e che ruolo hanno nel determinare le proprietà delle atmosfere esoplanetarie su varie scale di tempo.

Questa linea di ricerca si colloca all’incrocio delle altre attività del gruppo: richiede una conoscenza accurata dei parametri fisici e orbitali dei pianeti [link], poggia sulla comprensione del magnetismo e dell’attività stellare [link], che ne rappresenta il “motore”, e fornisce una chiave per interpretare le atmosfere planetarie che osserviamo [link].

Le attività del Gruppo EXOPA

Il nostro approccio è multidisciplinare e portiamo avanti numerosi progetti che affrontano queste problematiche sia dal punto di vista osservativo sia dal punto di vista modellistico. In particolare:

• tramite simulazioni magneto-idrodinamiche descriviamo il comportamento delle atmosfere di pianeti soggetti al processo di fotoevaporazione atmosferica, stimandone il tasso di perdita di massa;
• ricostruiamo le condizioni iniziali dei pianeti soggetti a fotoevaporazione e ne prevediamo l’evoluzione futura;
• cerchiamo segnali di interazione stella-pianeta tramite campagne osservative.

Il nostro gruppo ha investigato fenomeni di interazione stella-pianeta (SPI) ad alte energie, nella banda X. Questi fenomeni possono essere innescati da riconnessione e interazione magnetica oppure da interazioni mareali, con espulsione di materiale planetario in caduta verso la stella.

La stella HD 17156 ospita un pianeta di 3,2 masse gioviane su un’orbita eccentrica con periodo di 21 giorni. La stella ha mostrato evidenze di SPI, con un aumento dell’emissione nei raggi X soffici nelle fasi in cui il pianeta si trovava alla minima distanza dalla stella, ovvero al periastro (Maggio et al. 2015; Maggio et al., in preparazione).

Referenze principali

• “Coordinated X-ray and optical observations of star-planet interaction in HD 17156” [LINK AL PAPER], Maggio, Pillitteri, Scandariato et al., 2015, The Astrophysical Journal Letters, 811, L2
• “Photo-evaporation of close-in gas giants orbiting around G and M stars” [LINK AL PAPER], Locci, Cecchi Pestellini, Micela, 2019, Astronomy & Astrophysics, 624, A101
• “X-ray variability of HD 189733 across eight years of XMM-Newton observations” [LINK AL PAPER], Pillitteri, Micela, Maggio et al., 2022, Astronomy & Astrophysics, 660, A75
• “The enigmatic dance of the HD 189733A system: A quest for accretion” [LINK AL PAPER], Colombo, Pillitteri, Petralia et al., 2024, Astronomy & Astrophysics, 683, A226

Persone

	Salvatore Colombo Ricercatore Email: salvatore.colombo @inaf.it ORCID: 0000-0002-3257-862X		Daniele Locci Ricercatore Email: daniele.locci @inaf.it ORCID: 0000-0002-9824-2336
	Antonio Maggio Ricercatore Email: antonio.maggio @inaf.it ORCID: 0000-0001-5154-6108		Giusi Micela Capo gruppo EXOPA Email: giusi.micela @inaf.it ORCID: 0000-0002-9900-4751
	Antonino Petralia Ricercatore Email: antonino.petralia @inaf.it ORCID: 0000-0002-9882-1020		Ignazio Pillitteri Ricercatore Email: ignazio.pillitteri @inaf.it ORCID: 0000-0003-4948-6550
	Riccardo Spinelli Ricercatore Email: riccardo.spinelli @inaf.it ORCID: 0000-0001-5252-5042

🇬🇧 English version

Stars and planets evolve and interact throughout their lifetimes. Interaction phenomena can be divided into three categories: gravitational interactions and tidal effects; irradiation of planetary atmospheres, which leads to atmospheric photoevaporation and photochemical processes; and interactions due to mass transport, with accretion onto the star or perturbation of planetary atmospheres by the stellar wind and Coronal Mass Ejections (CMEs).

Many observations suggest that these interactions exist, but the relative importance of the possible physical processes as a function of stellar age and planetary system architecture is the subject of cutting-edge research. Our team aims to understand the effects of these interactions and their role in shaping the properties of exoplanetary atmospheres over various timescales.

This research line lies at the crossroads of the group’s other activities: it requires accurate knowledge of the physical and orbital parameters of planets [link], builds on our understanding of magnetism and stellar activity [link], which is its “engine”, and provides a key to interpreting the planetary atmospheres we observe [link].

Figure 1 3D magnetohydrodynamic model used to study star-planet interaction. The star is at the centre of each frame, the planet on the left. The colour scale shows the density of the planetary wind, while the green lines are magnetic field lines.

EXOPA activities

Our approach is multidisciplinary, and we carry out several projects addressing these issues from both an observational and a modelling perspective. In particular:

• through magnetohydrodynamic simulations we describe the behaviour of the atmospheres of planets undergoing photoevaporation, estimating their mass-loss rate;
• we reconstruct the initial conditions of photoevaporating planets and predict their future evolution;
• we search for signatures of star-planet interaction through observing campaigns.

Our group has investigated high-energy star-planet interaction (SPI) phenomena in the X-ray band. These can be triggered by magnetic reconnection and interaction or by tidal interactions, with planetary material being stripped and falling onto the star.

The star HD 17156 hosts a 3.2 Jupiter-mass planet on an eccentric 21-day orbit. The star has shown evidence of SPI, with enhanced soft X-ray emission when the planet was at its closest distance to the star, i.e. at periastron (Maggio et al. 2015; Maggio et al., in preparation).

Figure 2 X-ray images of the HD 17156 field taken at the planet’s periastron passages in 2015 (left) and 2026 (right). Circles mark the count extraction regions (Maggio et al. 2015; Maggio et al., in preparation).

Main references

• “Coordinated X-ray and optical observations of star-planet interaction in HD 17156” [PAPER LINK], Maggio, Pillitteri, Scandariato et al., 2015, The Astrophysical Journal Letters, 811, L2
• “Photo-evaporation of close-in gas giants orbiting around G and M stars” [PAPER LINK], Locci, Cecchi Pestellini, Micela, 2019, Astronomy & Astrophysics, 624, A101
• “X-ray variability of HD 189733 across eight years of XMM-Newton observations” [PAPER LINK], Pillitteri, Micela, Maggio et al., 2022, Astronomy & Astrophysics, 660, A75
• “The enigmatic dance of the HD 189733A system: A quest for accretion” [PAPER LINK], Colombo, Pillitteri, Petralia et al., 2024, Astronomy & Astrophysics, 683, A226

Team

	Salvatore Colombo Researcher Email: salvatore.colombo @inaf.it ORCID: 0000-0002-3257-862X		Daniele Locci Researcher Email: daniele.locci @inaf.it ORCID: 0000-0002-9824-2336
	Antonio Maggio Researcher Email: antonio.maggio @inaf.it ORCID: 0000-0001-5154-6108		Giusi Micela Head of EXOPA Email: giusi.micela @inaf.it ORCID: 0000-0002-9900-4751
	Antonino Petralia Researcher Email: antonino.petralia @inaf.it ORCID: 0000-0002-9882-1020		Ignazio Pillitteri Researcher Email: ignazio.pillitteri @inaf.it ORCID: 0000-0003-4948-6550
	Riccardo Spinelli Researcher Email: riccardo.spinelli @inaf.it ORCID: 0000-0001-5252-5042