Osservate tra gli esopianeti a oggi scoperti, le super-Terre sono pianeti tipicamente terrestri che posso avere atmosfere e sono più massicce della Terra, arrivando a essere sino a 12 volte più grandi e 10 volte più massicce. Ma per quale motivo la nostra Terra non è diventata anch’essa “super”?

Se facciamo riferimento ai massicci pianeti rocciosi visti intorno ad almeno il 30% di stelle simili al Sole all’interno della nostra galassia, vediamo che nel sistema solare è successo qualcosa che ha impedito alla Terra di crescere per diventare un tipo molto più grande di pianeta terrestre chiamato super-Terra. Un nuovo studio pubblicato da alcuni scienziati della Rice University ha ipotizzato che ben prima che nel sistema solare si sviluppassero i pianeti, il Sole avesse degli anelli – delle bande di polvere e gas simili agli anelli di Saturno – che probabilmente hanno giocato un ruolo importante su come si è formata la Terra.

Gli studiosi hanno utilizzato un supercomputer per simulare centinaia di volte la formazione del sistema solare. Il loro modello, descritto in uno studio pubblicato online su Nature Astronomy, ha prodotto anelli come quelli osservati intorno a molte stelle giovani e più lontane e ha riprodotto fedelmente diverse caratteristiche del nostro sistema che mancavano in molti modelli precedenti, tra cui:

  • la cintura di asteroidi tra Marte e Giove contenente oggetti provenienti sia dal sistema solare interno che da quello esterno
  • le posizioni e le orbite stabili, quasi circolari, di Terra, Marte, Venere e Mercurio
  • le masse dei pianeti interni, incluso Marte, che molti modelli precedenti sovrastimavano
  • la dicotomia tra la composizione chimica degli oggetti nel sistema solare interno ed esterno
  • una regione della fascia di Kuiper di comete, asteroidi e piccoli corpi oltre l’orbita di Nettuno.

Lo studio condotto da astronomi, astrofisici e scienziati planetari della Rice, dell’Università di Bordeaux, del Southwest Research Institute di Boulder, in Colorado, e del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, in Germania, si basa sulle ultime ricerche astronomiche sui sistemi stellari primordiali.

Il loro modello presuppone che tre bande di alta pressione si siano formate all’interno del disco di gas e polvere del giovane Sole denominati “pressure bumps”. Questi “sbalzi di pressione” sono stati osservati in dischi stellari ad anello attorno a stelle lontane e lo studio illustra come gli sbalzi e gli anelli di pressione potrebbero spiegare l’architettura del sistema solare. Se infatti le super-Terre sono abbastasnza comuni, perché non ne abbiamo una nel sistema solare? La causa potrebbe essere data dai pressure bumps, che hanno creato “serbatoi” disconnessi di materiale nel disco protoplanetario del sistema solare e hanno regolato la quantità di materiale disponibile per far crescere i pianeti nel sistema solare interno.

Sistema Solare
Il Sistema Solare. Credit: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech

I Pressure Bumps

Per decenni, gli scienziati hanno creduto che il gas e la polvere nei dischi protoplanetari diventassero gradualmente meno densi, diminuendo dolcemente in funzione della distanza dalla stella. Ma le simulazioni al computer mostrano che è improbabile che i pianeti si formino in scenari di un disco perfettamente liscio. In un disco liscio, tutte le particelle solide – dai granelli di polvere ai massi – dovrebbero essere attirate verso l’interno molto rapidamente e perse nella stella perciò vi è bisogno di qualcosa che li ostacoli in modo da dare loro il tempo di svilupparsi in pianeti.

Quando le particelle si muovono più velocemente del gas che le circonda, avvertono come se vi fosse un vento contrario e si spostano molto rapidamente verso la stella. In presenza di pressure bumps, la pressione del gas aumenta, le molecole di gas si muovono più velocemente e le particelle solide non avvertono questo vento contrario: questo è ciò che consente alle particelle di polvere di accumularsi in presenza di questi sbalzi di pressione. E i pressure bumps e gli anelli del disco protoplanetario sono stati osservati grazie all’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (o ALMA), un enorme radiotelescopio a 66 parabole che è entrato in funzione in Cile nel 2013.

ALMA è stato in grado di acquisire immagini molto nitide di giovani sistemi planetari che si stanno ancora formando e si è scoperto che molti dei dischi protoplanetari di questi sistemi sono caratterizzati da anelli. Sono i pressure bumps a raccogliere le particelle di polvere, ed è per questo motivo che si possono vedere degli anelli. Questi anelli sono le regioni in cui ci sono più particelle di polvere rispetto agli spazi vuoti tra di essi.

Anelli
Un’illustrazione di tre distinti anelli di formazione planetesimale che potrebbero aver prodotto i pianeti e altre caratteristiche del sistema solare secondo il modello della Rice University. Credit: Rice University / Rajdeep Dasgupta

Gli anelli nel Sistema Solare

Il nuovo modello presuppone la formazione di pressure bumps nel primo sistema solare in tre punti in cui le particelle che cadevano verso il sole avrebbero rilasciato grandi quantità di gas vaporizzato.

Si tratta di eventi in funzione della distanza dalla stella, perché la temperatura aumenta man mano che ci si avvicina alla stella e il punto in cui essa è abbastanza alta da consentire la vaporizzazione del ghiaccio, ad esempio, è la zona di sublimazione che chiamiamo linea della neve.

Nelle simulazioni, gli sbalzi di pressione sulle linee di sublimazione di silicato, acqua e monossido di carbonio hanno prodotto tre anelli distinti. Alla linea dei silicati, l’ingrediente base della sabbia e del vetro, il biossido di silicio diventava vapore. Ciò ha prodotto l’anello più vicino al Sole, dove in seguito si sarebbero formati Mercurio, Venere, Terra e Marte. L’anello centrale è apparso al limite della neve e l’anello più lontano al limite del monossido di carbonio.

I dischi protoplanetari si raffreddano con il passare del tempo, quindi le linee di sublimazione devono spostarsi verso il Sole. Lo studio ha mostrato che questo processo potrebbe consentire alla polvere di accumularsi in oggetti delle dimensioni di un asteroide chiamati planetesimi, e che potrebbero in seguito unirsi per formare pianeti. Studi precedenti presumevano che i planetesimi si sarebbero potuti formare se la polvere fosse stata sufficientemente concentrata, ma nessun modello aveva offerto una spiegazione teorica convincente su come la polvere si accumulava.

Molte precedenti simulazioni del sistema solare hanno prodotto versioni di Marte fino a 10 volte più massicce della Terra ma questo nuovo modello ha previsto correttamente che Marte avesse circa il 10% della massa terrestre proprio perché Marte è nato in una regione di piccola massa del disco.

Inoltre l’apparizione ritardata dell’anello centrale del Sole in alcune simulazioni ha portato alla effettiva formazione di super-Terre, il che sottolinea l’importanza del tempo in cui i pressure bumps si vengono a formare. In quelle simulazioni i pressure bumps si sono sviluppati dopo che molta massa aveva già invaso il sistema interno, ed era quindi disponibile per creare super-Terre. Il tempismo della loro formazione è quindi un altro elemento chiave nello studio del sistema solare.

Due misteri forse risolti

Gli scienziati hanno affermato che il modello fornisce anche una spiegazione convincente per due dei misteri cosmochimici del sistema solare: la marcata differenza tra le composizioni chimiche degli oggetti del sistema solare interno ed esterno e la presenza degli oggetti nella cintura degli asteroidi tra Marte e Giove.

Le simulazioni hanno mostrato che l’anello centrale potrebbe spiegare la dicotomia chimica impedendo al materiale del sistema esterno di entrare nel sistema interno. Le simulazioni hanno anche prodotto la cintura di asteroidi nella sua posizione corretta e hanno mostrato che veniva alimentata con oggetti sia dalla regione interna che da quella esterna. Il tipo più comune di meteoriti della cintura degli asteroidi è isotopicamente simili a Marte e quindi il modello fornisce una prima spiegazione sul perché Marte e questi normali meteoriti abbiano la stessa composizione.

Riferimenti:

Passione Astronomia consiglia...
  • Periodo di prova gratuito ad Amazon Kindle Unlimited grazie a Passione Astronomia clicca qui
  • Lo store astronomico clicca qui
  • Passione Astronomia partecipa al Programma Affiliazione Amazon EU, che consente ai siti di percepire una commissione pubblicitaria pubblicizzando e fornendo link al sito Amazon.it