Segreti della Rapida Formazione dei Pianeti: Enigmi Protoplanetari Risolti a Velocità Iperiore

Illustrazione di un modello che mostra come giganti gassosi come Giove, Saturno o Urano possano formarsi rapidamente nel sistema solare dalla polvere di un disco protopianetario e quindi spingere la polvere in aree al di fuori della loro orbita. Credito: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello per la formazione dei pianeti che mostra come le perturbazioni nei dischi protopianetari possano rapidamente formare giganti gassosi. Questo processo è più efficiente di quanto precedentemente pensato e si allinea con le osservazioni recenti dei lontani giganti gassosi.

Il nostro vicinato cosmico immediato è il nostro sistema solare. Lo conosciamo bene: il Sole al centro; quindi i pianeti rocciosi Mercurio, Venere, Terra e Marte; e poi la fascia degli asteroidi; seguita dai giganti gassosi Giove e Saturno; poi i giganti ghiacciati Urano e Nettuno; e infine la fascia di Kuiper con i suoi comete.

Ma quanto conosciamo davvero la nostra casa? Le teorie precedenti hanno supposto che i pianeti giganti si formino da collisioni e accumuli di corpi celesti simili agli asteroidi, chiamati planetesimi, e poi dall'accrescimento successivo del gas nel corso di milioni di anni. Tuttavia, questi modelli non spiegano né l'esistenza di giganti gassosi situati lontano dalle loro stelle né la formazione di Urano e Nettuno.

Gli astrofisici dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco (LMU), del cluster ORIGINS e dell'Istituto Max Planck per la ricerca sul sistema solare (MPS) hanno sviluppato il primo modello mai creato che incorpora tutti i processi fisici necessari che giocano un ruolo nella formazione dei pianeti. Utilizzando questo modello, hanno dimostrato che le perturbazioni annulari nei dischi protopianetari, così dette substrutture, possono innescare la rapida formazione di diversi giganti gassosi. I risultati dello studio si accordano con le ultime osservazioni e indicano che la formazione dei pianeti giganti potrebbe avvenire in modo più efficiente e veloce di quanto precedentemente pensato.

“Quando un pianeta diventa abbastanza grande da influenzare il disco di gas, questo porta a un rinnovato arricchimento di polvere più lontano nel disco. In questo processo, il pianeta spinge la polvere - come un cane pastore che rincorre il suo gregge - nell'area al di fuori della sua stessa orbita.” — Prof. Til Birnstiel

Con il loro modello, i ricercatori dimostrano come le particelle di polvere di dimensioni millimetriche si accumulino aerodinamicamente nel turbolento disco di gas, e come questa perturbazione iniziale nel disco trattiene la polvere e impedisce che scompaia nella direzione della stella. Questo accumulo rende la crescita dei pianeti molto efficiente, poiché improvvisamente è disponibile molta “materia da costruzione” all'interno di un'area compatta e le condizioni giuste per la formazione del pianeta sono presenti.

“Quando un pianeta diventa abbastanza grande da influenzare il disco di gas, questo porta a un rinnovato arricchimento di polvere più lontano nel disco,” spiega Til Birnstiel, Professore di Astrofisica Teorica presso l'LMU e membro del cluster ORIGINS di Eccellenza. “In questo processo, il pianeta spinge la polvere - come un cane pastore che rincorre il suo gregge - nell'area al di fuori della sua stessa orbita.” Il processo ricomincia, dall'interno all'esterno, e un altro gigante gassoso può formarsi. “Questa è la prima volta che una simulazione ha tracciato il processo secondo cui la polvere fine si trasforma in giganti gassosi,” osserva Tommy Chi Ho Lau, autore principale dello studio e candidato al dottorato presso l'LMU.

Nel nostro sistema solare, i giganti gassosi sono situati a una distanza di circa 5 unità astronomiche (ua) (Giove) a 30 ua (Nettuno) dal Sole. A titolo di confronto, la Terra è a circa 150 milioni di chilometri dal Sole, che corrisponde a 1 ua.

Lo studio mostra che nei sistemi planetari, una perturbazione potrebbe mettere in moto il processo a distanze molto più grandi e ancora accadere molto rapidamente. Tali sistemi sono stati osservati frequentemente negli ultimi anni dall'osservatorio radio ALMA, che ha trovato giganti gassosi in dischi giovani a una distanza oltre le 200 ua. Tuttavia, il modello spiega anche perché il nostro sistema solare apparentemente ha smesso di formare pianeti aggiuntivi dopo Nettuno: il materiale da costruzione è stato semplicemente esaurito.

I risultati dello studio si accordano con le osservazioni attuali dei sistemi planetari giovani che presentano substrutture pronunciate nei loro dischi. Queste substrutture giocano un ruolo decisivo nella formazione dei pianeti. Lo studio indica che la formazione di giganti e giganti gassosi procede con maggiore efficienza e rapidità rispetto a quanto precedentemente ipotizzato. Queste nuove intuizioni potrebbero affinare la nostra comprensione dell'origine e dello sviluppo dei giganti nei nostri sistema solare e spiegare la diversità dei sistemi planetari osservati.

Riferimento: “Formazione sequenziale di giganti planetari iniziata da substrutture disco” di Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska e Sebastian Markus Stammler, 31 luglio 2024, Astronomia & Astrofisica. DOI: 10.1051/0004-6361/202450464