Pianeti rocciosi dalla fabbrica dei pianeti

 

Perché i pianeti rocciosi di un determinato sistema stellare di solito si assomigliano relativamente? Una nuova teoria sviluppata da Konstantin Batygin, professore di scienze planetarie al Caltech, insieme ad Alessandro Morbidelli dell’Observatoire de la Côte d’Azur in Francia, potrebbe spiegarlo.

“Con l’aumento delle osservazioni di esopianeti nell’ultimo decennio, è diventato chiaro che la teoria standard della formazione dei pianeti deve essere rivista, a partire dalle basi. Abbiamo bisogno di una teoria che possa spiegare sia la formazione dei pianeti terrestri nel nostro sistema solare sia la formazione di sistemi auto-simili di super-Terra, molti dei quali hanno una composizione rocciosa”, afferma Batygin.

I sistemi planetari iniziano il loro ciclo di vita come grandi dischi rotanti di gas e polvere che si condensano nel corso di alcuni milioni di anni. La maggior parte del gas si accumula nella stella al centro del sistema, mentre il materiale solido si coagula lentamente in asteroidi, comete, pianeti e lune. Nel nostro sistema solare, ciò ha dato origine a due diversi tipi di pianeti: i pianeti interni più piccoli e rocciosi, più vicini al Sole, e i giganti gassosi più esterni, ricchi di acqua e idrogeno, più lontani dal Sole. Ciò è probabilmente avvenuto in due diversi anelli del disco protoplanetario: uno interno dove si sono formati i pianeti rocciosi e uno esterno per i pianeti ghiacciati più massicci (due dei quali – Giove e Saturno – sono poi diventati giganti gassosi).

Le super-Terre, come suggerisce il nome, sono più massicce della Terra. Alcuni hanno addirittura un’atmosfera di idrogeno che li fa apparire quasi come giganti gassosi. Spesso sono anche vicini alle loro stelle, il che fa pensare che siano migrati da orbite più lontane fino alla loro posizione attuale.

“Alcuni anni fa abbiamo sviluppato un modello in cui le super-Terra si sono formate nella parte ghiacciata del disco protoplanetario e sono migrate verso il bordo interno del disco, vicino alla stella”, spiega Morbidelli. “Il modello era in grado di spiegare le masse e le orbite delle super-Terre, ma prevedeva che fossero tutte ricche di acqua. Tuttavia, recenti osservazioni hanno dimostrato che la maggior parte delle super-Terre sono fatte di roccia, come la Terra, anche se sono circondate da un’atmosfera di idrogeno. È stata la campana a morto per il nostro vecchio modello”. Negli ultimi cinque anni, la storia è diventata ancora più strana: gli scienziati hanno studiato questi esopianeti e hanno fatto una scoperta insolita: Sebbene esistano diversi tipi di super-Terra, tutte le super-Terra all’interno di uno stesso sistema planetario sono simili in termini di distanza orbitale, dimensioni, massa e altre importanti caratteristiche. Sembra che ci sia praticamente una fabbrica di pianeti che sa solo produrre pianeti di una certa massa e li sforna uno dopo l’altro.

Quale processo in una tale fabbrica avrebbe potuto produrre non solo i pianeti rocciosi del nostro sistema solare, ma anche sistemi uniformi di super-Terre rocciose? “La risposta è legata a qualcosa che abbiamo scoperto nel 2020”, afferma Batygin. In quell’occasione, Batygin e Morbidelli proposero una nuova teoria per la formazione delle quattro lune più grandi di Giove. In sostanza, hanno dimostrato che per una certa gamma di dimensioni dei grani di polvere, la forza che tira i grani verso Giove e la forza (o trascinamento) che li trascina in un flusso di gas verso l’esterno si annullano completamente. Questo equilibrio di forze ha creato un anello di materiale che ha costituito i solidi mattoni per la successiva formazione delle lune. La teoria prevede inoltre che i corpi dell’anello crescano fino a raggiungere dimensioni sufficienti per lasciare l’anello attraverso una migrazione guidata dai gas. Dopo di che, la loro crescita si arresta, il che spiega perché il processo produce corpi di dimensioni simili.

Nel loro nuovo lavoro, Batygin e Morbidelli propongono che il meccanismo di formazione dei pianeti intorno alle stelle sia in gran parte lo stesso. Nel caso dei pianeti, la concentrazione su larga scala di materiale roccioso solido si verifica in una stretta fascia del disco chiamata linea di sublimazione dei silicati – una regione in cui i vapori di silicato si condensano e formano ciottoli solidi e rocciosi. “Se si è un granello di polvere, si avverte un notevole vento contrario nel disco, perché il gas orbita un po’ più lentamente e ci si muove a spirale verso la stella; ma se si è in forma di vapore, ci si muove semplicemente verso l’esterno, insieme al gas nel disco in espansione. Quindi, nel punto in cui si passa dal vapore al solido, si accumula materiale”, spiega Batygin. Tradotto con www.DeepL.com/translator (versione gratuita)

La nuova teoria identifica questa fascia come la probabile sede di una “fabbrica di pianeti” in grado di produrre nel tempo diversi pianeti rocciosi di dimensioni simili. Quando i pianeti raggiungeranno una massa sufficiente, la loro interazione con il disco li avvicinerà alla stella. La teoria di Batygin e Morbidelli si basa su un’ampia modellazione al computer, ma è partita da una semplice domanda. “Abbiamo esaminato il modello esistente di formazione dei pianeti, sapendo che non riflette ciò che vediamo, e ci siamo chiesti: “Quale affermazione diamo per scontata?””, dice Batygin. “Il trucco sta nel guardare a qualcosa che tutti credono vero senza alcuna buona ragione per farlo”.

In questo caso, l’ipotesi era che il materiale solido fosse sparso nei dischi protoplanetari. Abbandonando questa ipotesi e supponendo invece che i primi corpi solidi si formino in anelli, la nuova teoria può spiegare diversi tipi di sistemi planetari con un quadro unificato, ha detto Batygin. Se l’anello roccioso contiene molta massa, i pianeti crescono fino ad allontanarsi dall’anello, portando a un sistema di super-Terre simili. Se invece l’anello contiene poca massa, si forma un sistema molto più simile ai pianeti terrestri del nostro sistema solare.

Impressione d’artista di un disco protoplanetario con pianeti in formazione. (Immagine: Caltech)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris è un fisico e uno specialista dello spazio. Si è occupato a lungo di questioni spaziali, sia professionalmente che privatamente, e mentre voleva diventare un astronauta, è dovuto rimanere sulla Terra per una serie di motivi. È particolarmente affascinato dal "what if" e attraverso i suoi libri mira a condividere storie avvincenti di hard science fiction che potrebbero realmente accadere, e un giorno potrebbero accadere. Morris è l'autore di diversi romanzi di fantascienza best-seller, tra cui The Enceladus Series.

    Brandon è un orgoglioso membro della Science Fiction and Fantasy Writers of America e della Mars Society.