Il sistema solare è un vasto e disordinato ammasso di detriti tenuti insieme dalla gravità. È centrato sul Sole, una stella media nella Via Lattea, e su tutto ciò che gli orbita attorno. Contiamo otto pianeti adesso. (In precedenza nove, se stai ancora aspettando Plutone.) Quei pianeti hanno più di 400 lune conosciute. Poi ci sono gli asteroidi, alcuni con le loro piccole lune. Comete. Corpi ghiacciati. E il mezzo interplanetario: una vasta portata di gas sottile e polvere che riempie lo spazio vuoto.
L’intero sistema si trova all’interno dell'”universo osservabile”. Questa è la porzione di spazio che gli esseri umani possono effettivamente vedere o osservare teoricamente con la tecnologia. L’universo oltre quello? Possibilmente infinito. Non lo sappiamo. Sappiamo solo che il nostro quartiere locale è limitato.
Gli antichi astronomi non avevano bisogno dei satelliti. Avevano gli occhi nudi. Osservavano il sole. La Luna. I pianeti più luminosi. Tracciando i loro movimenti è nata l’astronomia. Oggi disponiamo di dati sufficienti sul movimento, sulle proprietà e sulla composizione dei pianeti per riempire le biblioteche. I nostri strumenti puntano ben oltre il sistema solare, verso altre galassie e i confini dell’universo conosciuto.
Ma ecco il punto. Il sistema solare rimane il limite della nostra portata fisica. È anche il fulcro della nostra comprensione teorica del cosmo. Abbiamo inviato sonde e lander per camminare sulle superfici e sfiorare le atmosfere. Questi dati si uniscono alle misurazioni effettuate dai telescopi sotto e sopra l’atmosfera terrestre. Si mescola con le informazioni provenienti dai meteoriti e dalle rocce lunari portate dagli astronauti.
Tutte queste informazioni vengono esaminate attentamente nel tentativo di comprendere in dettaglio l’origine e l’evoluzione del sistema solare.
Gli astronomi stanno ancora facendo grandi passi avanti verso questo obiettivo. Stiamo ricostruendo come tutto è iniziato.
Composizione del sistema solare
Di cosa è fatto? Principalmente idrogeno ed elio nel Sole. Ma il resto? Rocce. Ghiaccio. Gas. Polvere. La composizione varia notevolmente a seconda di dove si guarda. Più vicino al Sole, è roccioso. Più lontano dominano i ghiacci. Il mezzo interplanetario lega tutto insieme con una tenue foschia. Stiamo ancora cercando di capire i rapporti esatti e la distribuzione. Ma sappiamo che non è uniforme.
Il Sole non è semplicemente seduto lì. Ancora il sistema solare. Più del 99% della massa totale del sistema risiede in quella singola stella. La sua gravità mette in linea tutto il resto. Senza di essa, i pianeti andrebbero alla deriva nell’oscurità.
L’ordine è fissato dalla distanza. Mercurio è il più vicino. Poi Venere. La Terra segue. Marte si trova dall’altra parte della cintura degli asteroidi. Oltre a ciò, i giganti prendono il sopravvento. Giove. Saturno. Urano. Nettuno.
La maggior parte di questi mondi non sono solitari. Da Giove a Nettuno tutti indossano anelli. Solo Mercurio e Venere sono privi di lune. Il resto ospita uno o più satelliti.
Plutone è rimasto nella scena per decenni. Scoperto nel 1930, si trovava oltre Nettuno come nono pianeta. La situazione cambiò nel 1992. Gli astronomi trovarono un oggetto ghiacciato ancora più lontano. Poi ne arrivarono altri. E altro ancora.
Apparve Eris. Sembrava grande quanto Plutone. Forse più grande.
La realizzazione colpì duramente. Plutone non era speciale. Era solo uno dei tanti oggetti di grandi dimensioni in una nuova popolazione. La chiamavano cintura di Kuiper.
Questo ammasso di corpi ghiacciati ha imposto una ridefinizione. Cosa conta come pianeta?
È intervenuta l’Unione Astronomica Internazionale (IAU), che detiene l’autorità di classificare gli oggetti astronomici. Nell’agosto 2006 votarono.
Plutone ha perso il suo status. Non è stato cancellato. È stato riclassificato.
La nuova etichetta: pianeta nano.
Perché Plutone è stato riclassificato
La decisione della IAU non è stata arbitraria. Si trattava di coerenza. Se Plutone resta un pianeta, perché non Eris? Perché non Cerere? Perché non le dozzine di altri grandi oggetti della cintura di Kuiper scoperti all’inizio degli anni 2000?
La definizione conta. Un pianeta deve liberare la sua orbita. Plutone condivide il suo vicinato con innumerevoli altri oggetti della cintura di Kuiper. Non li ha eliminati. È solo uno dei tanti.
Questo cambiamento evidenzia il modo in cui la scienza si aggiorna. I nuovi dati costringono le vecchie categorie a rompersi. Il sistema solare non è statico. Nemmeno la nostra comprensione di ciò lo è.
La cintura di Kuiper resta una frontiera. Ne abbiamo solo scalfito la superficie. Probabilmente altri oggetti sono in attesa di essere trovati. Ognuno contribuisce alla storia di come si è formato il sistema solare.
La retrocessione di Plutone non è stata una perdita. Era una correzione. Ha collocato il pianeta nano nel suo giusto contesto. Non come un valore anomalo. Ma come membro di una famiglia più grande.
Il sistema solare non è solo un insieme di attori importanti. È pieno di avanzi. Tutto ciò che non è il Sole, un pianeta, un pianeta nano o una luna viene inserito in una categoria generica: i piccoli corpi del sistema solare. Questo gruppo comprende asteroidi, meteoroidi e comete. Sono il campo di detriti del nostro vicinato cosmico.
La maggior parte degli oltre un milione di asteroidi, noti anche come pianeti minori, si trovano in un anello quasi piatto tra Marte e Giove. Questa è la cintura degli asteroidi. È un luogo affollato, ma privo di drammi. Queste rocce orbitano secondo percorsi stabili e prevedibili, resti del materiale roccioso che non è riuscito a fondersi in un pianeta.
Poi ci sono i frammenti più piccoli. Qualunque cosa più piccola di poche decine di metri di diametro viene spesso chiamata meteoroide. Questa distinzione è importante. Separa le rocce spaziali erranti dai corpi asteroidali più grandi. Questi piccoli viaggiatori popolano a miliardi lo spazio interplanetario. Sono la polvere e la ghiaia del sistema solare.
I bacini ghiacciati
Le comete raccontano una storia diversa. Ce ne sono diversi miliardi in agguato nell’oscurità. Si trovano in due bacini distinti. Queste sono le unità di stoccaggio della storia ghiacciata del sistema solare.
Quella più distante è la nube di Oort. È un guscio sferico che circonda l’intero sistema solare. Si trova ad una distanza sbalorditiva di circa 50.000 unità astronomiche (UA). Per metterlo in prospettiva, è più di 1.000 volte la distanza dell’orbita di Plutone. Un’unità astronomica è la distanza media dalla Terra al Sole: circa 150 milioni di chilometri. La nube di Oort è una prigione fredda e oscura per le comete di lungo periodo.
L’altro serbatoio è più vicino. È la cintura di Kuiper. Questa è una zona spessa a forma di disco. La sua concentrazione principale si estende a 30-50 UA dal Sole. Si trova oltre l’orbita di Nettuno. Include anche una parte dell’orbita di Plutone. La cintura di Kuiper ospita comete di breve periodo e pianeti nani ghiacciati.
Mondi ghiacciati e deriva gravitazionale
Proprio come gli asteroidi sono detriti rocciosi provenienti dai pianeti interni, gli oggetti della fascia di Kuiper sono controparti ghiacciate. Plutone, la sua luna Caronte, Eris e innumerevoli altri sono rappresentanti sopravvissuti dei corpi ghiacciati che formavano i nuclei di Nettuno e Urano. Sono gli elementi costitutivi che sono stati spazzati via o espulsi.
A causa di questa origine, Plutone e Caronte possono essere visti come nuclei di comete molto grandi. Sono essenzialmente palle di neve sporche che non si sono mai riscaldate abbastanza per evaporare.
Poi ci sono i Centauri. Si tratta di una popolazione di nuclei di comete con diametri fino a 200 km. Orbitano attorno al Sole tra Giove e Nettuno. Sono instabili. Probabilmente sono arrivati lì perché perturbati gravitazionalmente verso l’interno dalla fascia di Kuiper. Sono vagabondi cosmici, intrappolati tra i giganti.
Il mezzo tra questi oggetti non è vuoto. È il mezzo interplanetario. Questo è un plasma estremamente tenue. È un gas ionizzato arricchito con concentrazioni di particelle di polvere. Si estende verso l’esterno dal Sole fino a circa 123 UA. È il fluido invisibile dello spazio.
Ospiti da Altrove
Il sistema solare contiene anche oggetti provenienti dallo spazio interstellare. Sono solo di passaggio. Non appartengono bene alla gravità del nostro sole. Sono stati osservati due di questi oggetti interstellari. Questo cambia tutto ciò che pensavamo riguardo all’isolamento del nostro quartiere.
Il primo era ‘Oumuamua. È arrivato nel 2017 con una forma insolita. Era come un sigaro o come una frittella. Precipitò nello spazio. Probabilmente era composto da ghiaccio di azoto. Gli scienziati hanno discusso per anni sulla sua origine
Perché le orbite non sono cerchi perfetti
Guarda il cielo notturno e potresti supporre che tutto circondi il Sole in cicli puliti e ordinati. Non lo fanno. I pianeti, i pianeti nani, gli asteroidi, persino i ghiacciati vagabondi della fascia di Kuiper, si muovono tutti secondo ellissi. Viaggiano nella stessa direzione in cui gira il Sole. Gli astronomi chiamano questo movimento progrado, o diretto. Se potessi fluttuare sopra il Polo Nord della Terra e guardare in basso, l’intero sistema solare sembrerebbe ruotare in senso antiorario.
È una danza uniforme e ordinata.
Fatta eccezione per le comete della nube di Oort. Questi sono i valori anomali. Vengono da tutte le direzioni. Le loro orbite sono casuali, riflettendo una distribuzione sferica che circonda il piano piatto dei pianeti. A loro non interessa l’eclittica. Si presentano e basta.
La geometria dello spazio
Come misuriamo questi percorsi? Eccentricità. È un numero che ti dice quanto è allungata un’orbita. Zero significa un cerchio perfetto. Uno è una parabola, il che significa sostanzialmente che l’oggetto non tornerà mai più.
Venere e Nettuno hanno le orbite più circolari di tutte. Le loro eccentricità sono minuscole: 0,007 e 0,009. Mercurio è l’opposto. È il pianeta più vicino al Sole e ha un percorso molto allungato con un’eccentricità di 0,21. Plutone è ancora più strano, seduto a 0,25.
Poi c’è l’inclinazione. Questo è l’angolo dell’orbita rispetto al piano orbitale della Terra. Anche qui vince Mercurio, che inclina il suo cammino di 7 gradi. Plutone è un disastro, inclinato a 17,1 gradi. La maggior parte dei corpi piccoli hanno elevate eccentricità ed elevate inclinazioni. Alcune comete della nube di Oort si inclinano così tanto che la loro inclinazione supera i 90 gradi. Orbitano in modo retrogrado. Indietro. Controcorrente.
La grande divisione: rock contro gas
Gli otto pianeti non sono un monolite. Si sono divisi in due campi in base alla densità.
Il quartetto interiore – Mercurio, Venere, Terra e Marte – sono terrestri. Sono rocciosi. La loro densità è superiore a 3 grammi per centimetro cubo. Per contesto, l’acqua è 1 grammo per centimetro cubo. Questi sono mondi solidi.
I giganti esterni – Giove, Saturno, Urano, Nettuno – raccontano una storia diversa. Sono enormi. La loro densità è inferiore a 2 grammi per centimetro cubo. Giove e Saturno sono costituiti principalmente da idrogeno ed elio. Urano e Nettuno si mescolano al ghiaccio e alle rocce. Sono i pianeti gioviani, o giganti.
Plutone siede goffamente al centro. È un corpo ghiacciato a bassa densità. È più piccolo della Luna della Terra. È più simile a una cometa o a una grande luna ghiacciata che a un pianeta. Classificarlo come un oggetto della Cintura di Kuiper dà un senso alle sue anomalie. Appartiene ai detriti ghiacciati, non ai pianeti giganti.
Scudi e atmosfere
I piccoli pianeti interni hanno superfici solide. Mancano sistemi ad anello. Hanno poche o nessuna lune. Le loro atmosfere sono dense di composti ossidati come l’anidride carbonica.
La Terra è l’anomalia tra loro. Ha un forte campo magnetico. Questo campo funge da scudo contro il mezzo interplanetario. Intrappola le particelle elettricamente cariche in una regione chiamata magnetosfera. All’interno di quella magnetosfera si trovano le cinture di Van Allen. Queste sono zone di particelle ad alta energia.
Perché la Terra ha questo scudo e le altre no? Il testo non lo dice. Ma è importante. Senza quella magnetosfera, l’atmosfera sarebbe stata probabilmente spazzata via molto tempo fa. I pianeti interni sono esposti. La Terra indossa un’armatura. I pianeti esterni fanno affidamento sulla massa pura per trattenere idrogeno ed elio. Plutone fa affidamento sul fatto di essere lontano e freddo. Il sistema solare è un insieme di diverse strategie di sopravvivenza.
La complessità nascosta del sistema solare esterno
Dimentica tutto quello che sai sul terreno solido. I quattro giganti gassosi – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – sono enormi. Le loro atmosfere sono spesse coperte di idrogeno ed elio che si estendono fino a raggiungere profondità schiaccianti. Non c’è superficie su cui appoggiarsi. Solo strati di gas che diventano più densi fino a trasformarsi in fluidi esotici sotto pressione estrema.
La loro densità è così bassa che Saturno, se si riuscisse a trovare una vasca da bagno abbastanza grande, galleggerebbe. Condividono anche altri tratti: campi magnetici, sistemi di anelli ed eserciti di lune. Ne stiamo ancora trovando di nuovi. Plutone, una volta considerato il nono pianeta, si trova ai margini. Ha cinque lune conosciute e nessun anello. Ma non è solo. Altri oggetti nella fascia di Kuiper e persino alcuni asteroidi hanno i propri satelliti.
Queste lune non sono solo rocce. Sono mondi. La maggior parte orbita nella stessa direzione in cui viaggiano i loro pianeti attorno al Sole. Ma i loro ambienti? Molto diverso.
Io, una delle lune di Giove, è un incubo vulcanico. È il corpo più vulcanicamente attivo del sistema solare. La lava scorre costantemente.
Il Titano di Saturno è più grande di Mercurio. Ha un’atmosfera densa, più spessa di quella terrestre, piena di azoto e metano. Sulla sua superficie piovono idrocarburi liquidi.
Poi c’è Tritone, che orbita all’indietro attorno a Nettuno. Orbita retrograda. Si muove in senso opposto alla rotazione di Nettuno. Ciò suggerisce che sia stato catturato, non formato sul posto. La sua superficie è di 37 Kelvin. Sono -393°F. Geyser di azoto fuoriescono dalla sua crosta ghiacciata in un’atmosfera sottile.
Asteroidi e comete
Da dove vengono gli asteroidi?
Gli asteroidi sono resti rocciosi lasciati dalla formazione del sistema solare. Si trovano principalmente nella fascia degli asteroidi tra Marte e Giove. Ma alcuni si allontanano vicino alla Terra.
Le comete sono diverse. Sono palle di terra ghiacciate. Quando si avvicinano al Sole si riscaldano. Gas e polvere fuoriescono, creando una chioma luminosa e una coda che punta lontano dal Sole.
Perché è importante? Perché questi piccoli corpi contengono indizi. Non sono cambiati molto dall’inizio del sistema solare 4,6 miliardi di anni fa. Studiarli ci dice come si sono formati i pianeti. Come l’acqua è arrivata sulla Terra. Come potrebbe essere iniziata la vita.
Come si formano le lune?
La maggior parte delle lune si forma insieme ai pianeti dallo stesso disco vorticoso di gas e polvere. Ma non tutto.
L’orbita all’indietro di Tritone dimostra che non si è formato con Nettuno. È stato afferrato dalla gravità del pianeta. Gli eventi collisionali possono anche creare lune. La Luna della Terra probabilmente si è formata dopo che un corpo delle dimensioni di Marte ha colpito il nostro giovane pianeta. I detriti si sono coalizzati nella Luna che vediamo oggi.
Alcune lune, come Amaltea di Giove, sono irregolari. Sono piccoli, di forma irregolare e orbitano lontano dal loro pianeta. Potrebbero essere asteroidi catturati.
Di cosa sono fatti i sistemi ad anello?
Spesso pensiamo agli anelli come solidi. Non lo sono. Sono miliardi di minuscole particelle. Ghiaccio e roccia. Ogni particella orbita in modo indipendente.
Gli anelli di Saturno sono i più visibili. Sono per lo più acqua ghiacciata. Alcuni sono polvere, altri sono pezzi più grandi. Gli anelli sono sottili, a volte spessi solo 10 metri, ma larghi. Si estendono per centinaia di migliaia di chilometri.
Giove, Urano,
Gli asteroidi e le comete sono gli avanzi. Sono i detriti dell’era caotica in cui i pianeti si stavano riunendo nel sistema solare interno ed esterno. La cintura degli asteroidi è un cimitero di corpi rocciosi.
Le dimensioni variano notevolmente.
In alto siede Cerere. È enorme e si estende per circa 940 km (585 miglia). La IAU ora lo classifica come pianeta nano, ma corrisponde alla descrizione fisica di un grande asteroide. Sotto? Tutto fino a polvere microscopica. La cintura è piena di particelle alla deriva nello spazio.
Alcune di queste rocce attraversano l’orbita terrestre.
Quella vicinanza crea rischio. Gli impatti di grandi dimensioni sono rari ma catastrofici. Gli oggetti più grandi di 1 km (0,6 miglia) trasportano abbastanza energia da devastare il pianeta. Abbiamo visto il risultato 65 milioni di anni fa. L’impatto di un asteroide ha innescato l’estinzione di massa che ha spazzato via i dinosauri.
Gli oggetti più piccoli colpiscono molto più spesso.
Bruciano nell’atmosfera o atterrano come meteoriti. Nella maggior parte dei casi causano pochi danni. Ma quelli che raggiungono la superficie offrono indizi.
Di cosa sono fatti gli asteroidi?
Li abbiamo studiati dalla Terra. Abbiamo inviato un’astronave per volare vicino a loro. I dati sono coerenti.
Gli asteroidi non sono uniformi.
- Alcuni sono metallici. Sono principalmente ferro.
- Altri sono pietrosi.
- Un terzo gruppo è ricco di composti organici.
Questi ricchi di carbonio assomigliano a meteoriti di condrite carboniosa. Contengono gli elementi costitutivi della vita.
Le visite dei veicoli spaziali rivelano di più.
Le superfici sono irregolari. Sono butterati da crateri. Ciò suggerisce una storia violenta. Sono stati bombardati per miliardi di anni.
Perché sono importanti adesso
Questi corpi sono capsule del tempo.
Hanno conservato materiale primitivo del primo sistema solare. Non sono cambiati molto da quando si sono formati i pianeti. Studiarli ci dice come sono nati la Terra e i suoi vicini.
Ma c’è anche il pericolo.
Gli stessi oggetti che preservano la storia antica possono cancellare la civiltà moderna. Li seguiamo non solo per la scienza, ma per la sopravvivenza. Gli asteroidi vicini alla Terra sono un promemoria costante. Il processo di costruzione del pianeta non si è semplicemente fermato. Ha lasciato strumenti in grado di creare mondi. Oppure distruggerli.
Il confine tra tesoro scientifico e minaccia esistenziale è sottile. Si misura in chilometri e velocità d’impatto. Li osserviamo da vicino. Lo abbiamo sempre fatto.
La maggior parte delle persone immagina gli asteroidi come macerie rocciose e le comete come palle di neve ghiacciate. Questa distinzione regge ad un esame accurato. I nuclei delle comete sono fondamentalmente diversi dalle loro controparti rocciose. Il ghiaccio d’acqua domina la loro composizione. Trovi anche anidride carbonica congelata, monossido di carbonio e metanolo mescolati nel congelatore. Queste non sono sfere di ghiaccio puro. Sono ricchi di polvere di roccia e di una ricca varietà di composti organici. Alcuni grani sono piccoli. Alcune comete potrebbero contenere più sporco che ghiaccio. Questo mix conta. Ci dice come il sistema solare primordiale accumulò materiale.
Comete di lungo periodo e nube di Oort
Le comete rientrano in categorie in base al loro periodo orbitale. Questo è il tempo impiegato per fare il giro del Sole. Le comete di lungo periodo impiegano più di 200 anni per completare un giro. Spesso ci vogliono milioni di anni. Questi viaggiatori provengono dalla nube di Oort. Questo è un guscio sferico che circonda il sistema solare. I nuclei sono di forma irregolare. Sono larghi solo pochi chilometri.
Trascorrono gran parte della loro esistenza nel congelatore. Si siedono a distanze immense dal Sole. Stiamo parlando di un quinto della strada verso la stella più vicina. Non possiamo vederli dalla Terra. La loro presenza è dedotta attraverso l’osservazione delle loro orbite. Queste orbite sono altamente ellittiche. L’eccentricità è vicina a uno. Quando finalmente si avvicinano al Sole, gli girano attorno e tornano fuori.
I loro percorsi possono essere inclinati in qualsiasi direzione. Questa casualità conferma che la nube di Oort è sferica. È un vasto serbatoio di materia primordiale. Non siamo atterrati su questi oggetti. Non li abbiamo toccati. Li vediamo solo quando la gravità li perturba verso l’interno.
Le comete di breve periodo e la cintura di Kuiper
Le comete di breve periodo ritornano più velocemente. Impiegano meno di 200 anni per orbitare. Molti ritornano ogni pochi decenni. La loro fonte è diversa. È la cintura di Kuiper. Questa regione si trova oltre Nettuno. È molto più vicina della nube di Oort. Si trova nel piano del sistema solare.
Le comete da qui seguono regole diverse. Si muovono in orbite più rotonde. Sono progradi, nel senso che orbitano nella stessa direzione dei pianeti. I loro periodi sono spesso di 20 anni o meno. La cintura di Kuiper è stata fotografata. Grandi telescopi hanno catturato immagini dei suoi nuclei. Questi oggetti sono più accessibili di quelli nella nuvola di Oort. Eppure restano distanti.
Il contrasto tra queste due popolazioni è netto. Le comete di lungo periodo arrivano da tutte le direzioni. Le comete di breve periodo rimangono vicine al piano dell’eclittica. Questa separazione suggerisce storie di formazione distinte. O almeno posizioni di archiviazione distinte. La cintura di Kuiper è più vicina. Possiamo vederlo. La nube di Oort è teorica basata sulla meccanica orbitale. È troppo distante per osservarlo direttamente.
Perché è importante? La composizione di questi nuclei contiene indizi sulla formazione planetaria. Le sostanze organiche presenti nelle comete potrebbero aver seminato la Terra primordiale. L’acqua potrebbe provenire da questi corpi ghiacciati. Capire da dove vengono ci aiuta a capire da dove veniamo. Stiamo ancora mettendo insieme la mappa del sistema solare esterno. La cintura di Kuiper è visibile. La nube di Oort rimane nascosta. Aspettiamo che il prossimo visitatore emerga dall’oscurità.
Le scie detritiche delle comete e del vento solare
Le comete non restano semplicemente nell’oscurità. Quando si avvicinano al Sole, il calore li colpisce duramente. Non è un riscaldamento delicato. I nuclei rilasciano gas e polvere. Questo materiale fiorisce in coma sfocati e si allunga in code lunghe e sottili. Il gas si allontana nel vuoto. I granelli di polvere, però, restano indietro. Silicati e composti organici orbitano attorno al Sole su percorsi quasi identici a quelli della cometa madre.
Questo crea una traccia. Un nastro di detriti.
Quando l’orbita della Terra attraversa uno di questi nastri polverosi, si verifica una pioggia di meteoriti. Gli osservatori notturni potrebbero vedere decine o centinaia di stelle cadenti all’ora. I granelli di polvere bruciano negli strati superiori dell’atmosfera. È uno spettacolo. Ma non è casuale. Anche se ogni notte vediamo meteore casuali, la loro velocità aumenta durante questi eventi. Anche in una giornata media, l’atmosfera terrestre è bombardata da oltre 80 tonnellate di polvere. La maggior parte sono detriti di asteroidi o comete. Nuotiamo costantemente tra i resti del nostro sistema solare.
Il mezzo interplanetario
Lo spazio non è vuoto. È pieno di più che semplici detriti.
Lo spazio tra i pianeti contiene protoni, elettroni e ioni. Questi sono gli elementi abbondanti che fluiscono verso l’esterno dal Sole. Formano il vento solare. Occasionalmente, giganteschi brillamenti solari esplodono sulla superficie del Sole. Queste eruzioni di breve durata espellono materia e radiazioni ad alta energia. Questo si aggiunge al mix. È il mezzo interplanetario.
Nel 2012, la Voyager 1 ha oltrepassato un confine. Si è spostato dal mezzo interplanetario al mezzo interstellare. Quel confine è chiamato eliopausa. Da quando lo ha attraversato, la Voyager 1 ha misurato le proprietà dello spazio interstellare. È il primo oggetto creato dall’uomo a lasciare la nostra bolla.
Primi tentativi di spiegare le nostre origini
Più dati otteniamo su pianeti, lune, comete e asteroidi, più diventa difficile spiegare da dove provenga tutto. Le teorie antiche erano vaghe. Non erano vincolati dai fatti.
Un approccio scientifico divenne possibile solo dopo che Isaac Newton pubblicò le sue leggi del movimento e della gravitazione nel 1687. Quella fu la base. Ma anche allora, gli scienziati hanno lottato. Ci sono voluti anni per applicare le leggi di Newton ai moti apparenti dei pianeti e delle comete.
Nel 1734, un filosofo svedese di nome Emanuel Swedenborg propose un modello. Ha suggerito che un guscio di materiale attorno al Sole si sia rotto in pezzi. Quei pezzi formarono i pianeti. Era una delle prime idee del sistema solare che si formava da una nebulosa originale.
Immanuel Kant estese questa idea nel 1755. Il filosofo tedesco si basò sul concetto di Swedenborg. Iniziò una catena di pensieri che avrebbe dominato per un secolo.
L’ipotesi nebulare di Kant-Laplace
L’idea centrale di Kant era semplice. Il sistema solare iniziò come una nuvola di particelle disperse. La reciproca attrazione gravitazionale li ha fatti muovere e scontrarsi. Le forze chimiche li tenevano legati insieme.
Gli aggregati più grandi sono cresciuti più velocemente. Hanno raccolto più materiale. Alla fine, formarono i pianeti.
Kant non era un fisico o un matematico. Gli mancavano i limiti del suo approccio. Il suo modello non teneva conto del motivo per cui i pianeti si muovono nella stessa direzione e sullo stesso piano. Inoltre, non potrebbe spiegare la rivoluzione dei satelliti planetari. Era incompleto.
Un significativo passo avanti avvenne 40 anni dopo. Pierre-Simon Laplace della Francia era un brillante matematico. Si specializzò nella meccanica celeste. Ha pubblicato un trattato monumentale sull’argomento. Ha anche scritto un popolare libro di astronomia. In un’appendice offre suggerimenti sull’origine del sistema solare.
Il modello di Laplace partiva con il Sole già formato. Stava ruotando. La sua atmosfera si estendeva oltre la distanza dove si sarebbe formato il pianeta più lontano. Laplace non conosceva la fonte di energia nelle stelle. Supponeva che il Sole si sarebbe raffreddato irradiando calore.
Quando il Sole si è raffreddato, la pressione del gas è diminuita. Il Sole si contrasse. Iniziò la conservazione del momento angolare. La diminuzione delle dimensioni significò un aumento della velocità di rotazione. L’accelerazione centrifuga ha spinto il materiale atmosferico verso l’esterno. La gravità lo attirò verso il centro. Quando queste forze si equilibrarono, venne lasciato dietro di sé un anello di materiale. Si trovava sul piano dell’equatore del Sole.
Questo processo si è ripetuto. Si formarono diversi anelli concentrici. Ogni anello si è fuso in un pianeta. Le lune hanno avuto origine da anelli simili prodotti dai pianeti in formazione.
Il modello di Laplace spiegava perché i pianeti ruotano attorno al Sole nello stesso piano e nella stessa direzione. Incorporava l’idea di Kant di materiale coalescente. I due approcci si sono fusi. Divennero l’ipotesi nebulare di Kant-Laplace.
È stato ampiamente accettato per circa 100 anni.
Ma il sistema solare ha delle stranezze. L’apparente regolarità dei movimenti è stata contraddetta dalle scoperte. Sono stati trovati asteroidi con orbite altamente eccentriche. Furono scoperte lune con orbite retrograde. Questi non si adattavano agli anelli puliti.
Un altro problema era la massa e la quantità di moto. Il Sole contiene il 99,9% della massa del sistema solare. I pianeti, soprattutto i quattro giganti esterni, trasportano oltre il 99% del momento angolare. Affinché la teoria di Kant-Laplace sia valida, o il Sole dovrebbe ruotare più velocemente, oppure i pianeti dovrebbero muoversi più lentamente attorno ad esso. Non lo fanno. I conti non tornano del tutto.
All’inizio del 1900, gli scienziati avevano finito con l’ipotesi nebulare. Vedevano troppi difetti nel vecchio modello. Thomas Chrowder Chamberlin e Forest Ray Moulton in America intervennero. Più tardi, i fisici britannici James Jeans e Harold Jeffreys aggiunsero la loro interpretazione. Hanno proposto un’origine catastrofica. L’idea era semplice ma violenta. Il Sole ha avuto un incontro ravvicinato con un’altra stella.
Quando questi due corpi passavano uno vicino all’altro, la gravità estraeva materiale dalle loro atmosfere. Quella roba è andata alla deriva. Alla fine, si sono raggruppati insieme. Quegli aggregati divennero pianeti.
C’era però un grosso problema con questo. Se la formazione dei pianeti richiedeva una quasi collisione tra stelle, doveva essere incredibilmente rara. Le stelle sono lontane. Gli incontri ravvicinati accadono raramente. Se la teoria fosse vera, i sistemi solari nella Via Lattea dovrebbero essere praticamente inesistenti. Ciò non corrispondeva alla realtà.
Il problema del gas
Il successivo grande cambiamento avvenne a metà del XX secolo. Gli scienziati hanno finalmente capito come si formano le stelle. Hanno anche approfondito la dinamica del gas attorno alle stelle. La conclusione è stata brusca. Il gas caldo estratto dall’atmosfera stellare non resta lì in attesa di condensarsi. Si dissipa. Si espande nel vuoto. Non forma mai pianeti.
Il modello dell’incontro stellare era morto.
La conoscenza del mezzo interstellare ha cambiato tutto. Questo è il gas e la polvere che fluttuano tra le stelle. I ricercatori si sono resi conto che queste nuvole sono grandi. Sono densi. Le stelle non nascono nello spazio vuoto. Si formano all’interno di queste nuvole. Pertanto, i pianeti devono formarsi durante lo stesso processo. Non è stato un evento separato. Faceva parte della nascita della stella.
Gli scienziati sono tornati alle origini. Hanno esaminato le vecchie idee di Immanuel Kant e Pierre-Simon Laplace. I nuovi dati supportano alcuni di questi concetti più vecchi e più delicati.
Il consenso moderno
Oggi consideriamo l’origine del sistema solare come una formazione stellare standard. Il campo si è ristretto notevolmente. Abbiamo più dati osservativi che mai. Osserviamo le regioni di formazione stellare nelle gigantesche nubi interstellari. Analizziamo le impronte chimiche lasciate negli oggetti esistenti del sistema solare. I modelli plausibili si sono ridotti a pochi candidati solidi.
Alistair G.W. Cameron, un astrofisico americano nato in Canada, ha avuto un ruolo centrale in questa prospettiva moderna. Il suo lavoro ha contribuito a spostare l’attenzione dagli incidenti catastrofici ai processi graduali e intrinseci.
Formazione della nebulosa solare
La storia standard di come è iniziato il nostro sistema solare è molto più dinamica di quanto suggerisca un’immagine statica. Tutto inizia con un’enorme nube di gas e polvere, non così grande come il Sole che abbiamo oggi. Solo dal dieci al venti per cento dell’attuale massa del Sole. Questo è tutto. Una piccola zona del mezzo interstellare.
Cosa dà il via al collasso? Potrebbe essere casualità. Fluttuazioni casuali della densità all’interno della nuvola. Un gruppo diventa abbastanza pesante da attirare i suoi vicini. O forse qualcosa esterno forza il problema. Un’onda d’urto proveniente da una supernova vicina. Alla fisica non interessa l’innesco, solo il risultato.
La gravità prende il sopravvento. La nuvola collassa verso l’interno. Non rimane a lungo. Poiché il tutto orbita attorno al centro della Via Lattea, i bordi esterni si muovono più lentamente di quelli interni. Entrano in gioco le forze di taglio. La nuvola inizia a girare. E mentre si restringe, la rotazione accelera. La conservazione del momento angolare è una regola rigorosa. Gira più velocemente man mano che diventi più piccolo.
Questa rotazione cambia la forma. La gravità spinge verso l’interno. La forza centrifuga spinge verso l’esterno. Ma non combattono allo stesso modo in tutte le direzioni. La gravità vince facilmente perpendicolarmente all’asse di rotazione. La materia cade verso il centro. Lungo il piano di rotazione, però, la forza centrifuga reagisce duramente. Resiste al collasso.
La nuvola si appiattisce. Diventa un disco. Una frittella di materiale rotante. Al centro tutto si accumula. Si forma una densa condensa. Ciò corrisponde alla struttura di base del modello nebulare di Laplace, ma con il moderno rigore astrofisico. Non stiamo più solo indovinando. Stiamo monitorando la fluidodinamica di un disco protostellare che collassa.
Perché il Sistema Solare è un disco appiattito
La geometria qui non è negoziabile. Se vuoi costruire un pianeta, hai bisogno di un aereo. Non è possibile formare pianeti in una sfera caotica se il materiale ha momento angolare. La struttura del disco determina il luogo in cui si formano i pianeti. Detta l’angolo delle loro orbite. La maggior parte dei pianeti principali orbitano quasi sullo stesso piano a causa di questo appiattimento iniziale.
La condensazione centrale diventa il Sole. Ma il disco rimane. Questa è la nebulosa solare. Il materiale nel disco è il luogo in cui si svolge il resto della storia. I granelli di polvere si scontrano. Stanno insieme. Crescono. Ma ciò richiede tempo. E un ambiente stabile. Il disco lo fornisce.
Il ruolo del momento angolare nella formazione planetaria
Il momento angolare è la mano invisibile. Senza di essa, ottieni una stella e nient’altro. O forse una stella circondata da un guscio sferico che non si ferma mai. L’appiattimento è essenziale per l’accrescimento. Permette alla materia di coalizzarsi in modo efficiente.
Consideriamo la barriera centrifuga. Impedisce alla materia di cadere direttamente al centro. Invece, la materia orbita. Resta nel disco. Questo materiale orbitante è il combustibile grezzo per i pianeti. Lune. Asteroidi. L’intera architettura del sistema solare dipende da quella rotazione iniziale.
La massa iniziale era piccola. Dal dieci al venti per cento del sole. Ma la gravità amplifica. Prende un piccolo seme e lo trasforma in una stella. E nel processo, crea il palcoscenico per tutto il resto. Il disco non è solo detriti. È il fondamento.
“Il risultato in questa fase, come nel modello di Laplace, è un disco di materiale formato attorno ad una condensazione centrale.”
Lo siamo
Come la Nebulosa Solare ha costruito i pianeti
La nebulosa solare non era solo una nuvola casuale. Era un disco appiattito, che rispecchiava la forma delle galassie a spirale ma in una versione minuscola, a misura d’uomo, delle proporzioni cosmiche. Quando il gas e la polvere collassarono verso il centro, l’energia potenziale si trasformò in energia cinetica. Il caldo è aumentato. Alla fine, la condensazione centrale divenne abbastanza calda da innescare la fusione nucleare. È nato il Sole.
Nel frattempo, il resto del materiale in quel disco non era fermo. Si è scontrato. Si è bloccato. È cresciuto.
La maggior parte di questi granelli condividevano orbite quasi identiche. Le collisioni erano dolci. Non del tipo che frantuma le rocce, ma del tipo che permette loro di legarsi. Piccoli grumi sono diventati grumi più grandi. Questo processo, che ricorda le prime teorie di Immanuel Kant, ha gradualmente costruito oggetti più grandi dal caos.
La linea delle nevi e la separazione dei pianeti
È qui che la disposizione del sistema solare ha preso la sua architettura. La temperatura diminuiva con la distanza dalla massa centrale calda. Questo gradiente creava una linea dura nella sabbia, o meglio nel ghiaccio.
Vicino al Sole, faceva troppo caldo perché l’acqua potesse congelare. Ma a circa 5 Unità Astronomiche (UA), la distanza dell’attuale Giove e oltre, l’acqua potrebbe condensarsi in ghiaccio. Questo non era un dettaglio minore. L’acqua è la seconda molecola più abbondante nell’universo, dietro solo all’idrogeno molecolare. Dove l’acqua poteva congelare, il materiale solido era abbondante.
Gli oggetti che si formavano in quella zona fredda avevano un buffet di cibi solidi da mangiare. Sono diventati enormi rapidamente. Una volta che un corpo in accrescimento ha colpito circa dieci volte la massa terrestre, la sua gravità è diventata abbastanza forte da catturare idrogeno ed elio. Questi sono gli elementi più leggeri e abbondanti esistenti. I pianeti in questa zona esterna non hanno solo fatto crescere rocce; sono cresciute atmosfere. Sono diventati giganti.
All’interno dell’orbita di Giove, la storia era diversa. I pianeti interni si sono formati in un calore troppo intenso perché i volatili potessero rimanere in giro. Acqua, anidride carbonica, ammoniaca: sono rimasti gassosi. Sono volati via. I pianeti interni sono rimasti piccoli. Roccioso. Denso.
Gli astronomi chiamano il confine dove il ghiaccio d’acqua può formare “linea della neve”. Si trova a una temperatura di circa 150 Kelvin (-190 °F). All’interno di quella linea? Silicati. Grani metallici. Rocce. Al di fuori? Ghiaccio. Il gradiente di densità è ancora visibile oggi. La Luna terrestre, composta da minerali di silicato, ha una densità di 3,3 grammi per centimetro cubo. Teti, la luna di Saturno? È principalmente ghiaccio d’acqua. La densità è di circa 1 grammo per centimetro cubo.
Crepe nel modello tradizionale
Sembra logico. Si adatta ai dati. Allora perché questo modello ha dovuto affrontare sfide serie a partire dai primi anni ’90?
Due problemi principali hanno rotto la semplice narrazione.
Innanzitutto, le scoperte di esopianeti. Abbiamo trovato altri sistemi solari con pianeti giganti che orbitano molto vicino alle loro stelle. Giove caldo. Non dovrebbero esistere se il modello della nebulosa solare si attenesse rigorosamente ai gradienti di temperatura. Se si sono formati dove fa freddo e sono migrati verso l’interno, ciò aggiunge uno strato di complessità che manca al semplice quadro di Kant-Laplace.
In secondo luogo, la missione della sonda Galileo su Giove. I dati hanno mostrato qualcosa di inaspettato. L’atmosfera di Giove è arricchita di argon e azoto molecolare. Questi gas richiedono temperature di 30 Kelvin (-400 ° F) o inferiori per condensarsi e rimanere intrappolati in corpi ghiacciati. È molto più freddo della tradizionale linea di neve. Ciò suggerisce che il nucleo di Giove si sia formato molto più lontano di quanto pensassimo, o che la nebulosa solare primordiale fosse significativamente più fredda di quanto previsto dai modelli.
Successivi aggiustamenti alla teoria suggerirono che la temperatura vicino al piano centrale della nebulosa potesse essere di circa 25 Kelvin. Più fresco di quanto avevamo stimato. Ma il mistero non è del tutto risolto.
La velocità della formazione
Nonostante questi problemi, il nucleo del modello della nebulosa solare regge. Le osservazioni infrarosse e radio di giovani stelle confermano la presenza di dischi di materia. E confermano la velocità.
La formazione dei pianeti non è un processo piacevole. È frenetico.
Una nube interstellare collassa in un disco in circa un milione di anni. Ma le particelle solide non aspettano. Si stabiliscono sul piano medio. Veloce.
Per una particella di 1 micrometro, la sedimentazione richiede 100.000 anni. Per un ciottolo di 1 centimetro? Solo 10 anni.
Man mano che il piano mediano diventa più denso, le collisioni si verificano più spesso. La crescita accelera. I campi gravitazionali si rafforzano. La matematica è brutale ma efficiente. Gli oggetti di 10 chilometri di diametro – i planetesimi, gli elementi costitutivi dei mondi – si formano in soli 1.000 anni.
Ci rimane un universo che costruisce mondi in un batter d’occhio cosmico, anche se stiamo ancora cercando di capire esattamente come i pezzi si incastrano. Il disco collassa. Il caldo aumenta. Si forma il ghiaccio. E da qualche parte in quel caos, un pianeta comincia a ricomporsi.
Il caos in fase avanzata della costruzione del pianeta
L’accrescimento non si ferma quando un pianeta raggiunge la sua dimensione finale. Continua ad andare avanti. E diventa violento. L’energia rilasciata durante questi impatti nella fase avanzata è sufficiente per vaporizzare la roccia e sciogliere intere croste. Il materiale primitivo e condensato che ha avviato il processo è completamente criptato.
I modelli teorici suggeriscono che diversi corpi delle dimensioni della Luna e di Marte – embrioni planetari – si siano formati accanto ai pianeti che vediamo oggi. Quando questi giganti si scontrarono con i pianeti in crescita, i risultati furono confusi. Questo è probabilmente il motivo per cui Mercurio ha una densità così stranamente alta. O perché Venere gira all’indietro così lentamente. Nemmeno la Terra è scappata. Un embrione delle dimensioni di Marte si è schiantato sul nostro pianeta, espellendo detriti che alla fine si sono coalizzati sulla Luna. Colpi più piccoli su Marte hanno assottigliato la sua atmosfera fino allo stato esile che vediamo ora.
Il tempo non ha aiutato molto con il caldo. Gli isotopi degli elementi radioattivi di breve durata presenti nei campioni lunari e nei meteoriti ci dicono che i pianeti interni e la Luna finirono di formarsi entro 50 milioni di anni dal collasso della nebulosa solare. Ma la pulizia ha richiesto più tempo. Il bombardamento da parte dei detriti rimanenti continuò intensamente per altri 600 milioni di anni. Questi impatti successivi hanno aggiunto pochissima massa. Hanno solo sfregiato la superficie.
Come i pianeti esterni hanno catturato le loro lune
La stessa regola di accrescimento si applicava verso l’esterno. Ma qui gli ingredienti erano diversi. Planetesimi ghiacciati costruirono oggetti dieci volte la massa della Terra. Quella massa era abbastanza pesante da attirare il gas e la polvere circostanti dalla nebulosa solare. I pianeti divennero così grandi che la loro composizione rispecchiava quella del Sole: principalmente idrogeno ed elio.
Ogni pianeta gigante ha sviluppato il proprio mini-disco, una sottonebulosa. Questo disco ha alimentato la formazione di satelliti regolari. Queste lune hanno orbite circolari ed equatoriali che corrispondono alla direzione di rotazione del pianeta. Sono nati dal disco.
I satelliti irregolari sono una storia diversa. Hanno orbite eccentriche, inclinate o retrograde. Non sono nati nella subnebulosa. Sono stati catturati. Questi oggetti originariamente orbitavano attorno al Sole finché la gravità di un pianeta non li afferrò. Il Tritone di Nettuno e Febe di Saturno sono gli esempi classici. Ogni pianeta gigante ha almeno una luna catturata al suo seguito.
Le lune galileiane di Giove mostrano un modello di densità che rispecchia la disposizione generale del sistema solare. Io ed Europa sono vicini e rocciosi. Ganimede e Callisto sono distanti e mezzi ghiacciati. Perché? Giove primordiale era abbastanza caldo da impedire la condensazione del ghiaccio vicino all’orbita di Io. Il gradiente termico dettava la composizione.
Gli Avanzi: Asteroidi e Comete
Una volta che la maggior parte della materia si è raggruppata in oggetti distinti, il vento solare è aumentato. Ha espulso il gas e la polvere rimanenti dal sistema. Oggi vediamo deflussi simili intorno alle giovani stelle. Rimasero i detriti più grandi.
La rapida crescita di Giove ha creato un divario tra sé e Marte. Ha impedito la formazione di un pianeta lì. Quel divario ora è la cintura degli asteroidi. Lì vivono migliaia di oggetti, ma la loro massa totale è inferiore a un terzo di quella della Luna. I meteoriti sulla Terra provengono principalmente da questi asteroidi. Sono capsule del tempo che offrono indizi sulle condizioni della nebulosa primordiale.
Più lontano, i nuclei ghiacciati delle comete rappresentano i planetesimi che si sono formati al freddo. La maggior parte sono piccoli. Chirone, un oggetto Centauro, è largo circa 200 km. Si comporta come una cometa, anche se una volta era classificato come un asteroide. Plutone ed Eris, nella fascia di Kuiper, sono molto più grandi.
La maggior parte degli oggetti della cintura di Kuiper si sono formati sul posto. Ma i calcoli mostrano che miliardi di planetesimi ghiacciati furono espulsi dai pianeti giganti durante la loro migrazione. Quegli oggetti espulsi diventarono la nube di Oort.
Perché i giganti gassosi indossano anelli
La formazione di sistemi di anelli è una conseguenza diretta dell’evoluzione planetaria. Non sono antiche reliquie della nebulosa solare. Sono detriti temporanei e riciclati.
Una luna può vagare troppo vicino al suo pianeta. Se supera il limite di Roche, le forze delle maree lo fanno a pezzi. I frammenti non cadono in superficie. Si espandono in un disco. Quel disco diventa un anello. In alternativa, una cometa o un asteroide possono essere catturati e distrutti dagli impatti. I detriti vengono ridotti in polvere e roccia.
Gli anelli di Saturno sono enormi. Potrebbero essere i resti di una luna distrutta. Oppure potrebbero essere materiale che non si è mai accumulato in un satellite a causa delle forze delle maree. Urano e Nettuno hanno anelli più sottili e scuri. Il loro materiale è probabilmente più vecchio, più scuro e più elaborato.
Gli anelli sono dinamici. Cambiano. Gli impatti delle radiazioni e dei micrometeoroidi alterano la loro composizione. Le onde di gravità all’interno degli anelli possono creare spazi vuoti o grumi. Le lune possono proteggere i bordi degli anelli, mantenendoli affilati. Senza questa interazione continua, gli anelli si dissiperebbero o si accumulerebbero nuovamente nelle lune. Sono un segno di meccanica planetaria attiva, non di storia statica.
Il sistema solare che vediamo oggi è un cimitero di collisioni. Ogni caratteristica, dalla densità di Mercurio agli anelli di Saturno, è una cicatrice o un residuo di quella caotica giovinezza.
Gli anelli non sono solo una bella decorazione. Sono la prova fisica delle dure regole della gravità.
Li vediamo intorno a Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Ognuno si trova all’interno di un confine specifico. Si chiama limite di Roche. Il nome deriva da Édou Roche, un matematico francese del XIX secolo. Ha scoperto perché la materia rimane polvere invece di aggregarsi nelle lune.
Entro questo limite, due piccole rocce non si uniranno. Perché? Perché la gravità del pianeta li attira in modo diverso. Un lato di una roccia subisce uno strattone più forte dell’altro. Il pianeta vince. La roccia si squarcia. Non può accumularsi. Non può crescere.
Anche il campo gravitazionale del pianeta agisce come un mixer. Distribuisce le particelle. Riduce al minimo le collisioni casuali. Nessuna collisione significa nessuna crescita. Solo un disco piatto di detriti.
Il mistero delle origini degli anelli
Questo spiega dove rimangono gli anelli. Non spiega quando sono arrivati lì. O come rimangono contenuti radialmente.
La risposta varia in base al pianeta.
Per Giove il sistema è stabile. È un equilibrio tra nascita e morte. Le lune interne rilasciano costantemente particelle. La polvere fresca sostituisce la polvere vecchia. È un nastro trasportatore di detriti.
Saturno è più complicato. Gli scienziati sono divisi. Un campo dice che gli anelli sono antichi. Resti di quando si formò il pianeta. L’altro campo sostiene che sono giovani. Forse ha solo poche centinaia di milioni di anni. È un battito di ciglia nel tempo cosmico.
In ogni caso, la fonte sono probabilmente planetesimi ghiacciati. Questi grossi avanzi si scontrarono. Si sono frantumati. I frammenti risultanti sono le piccole particelle che vediamo oggi.
Risolvere il puzzle del momento angolare
C’è un altro problema che ha sconcertato i primi astronomi. Il puzzle del momento angolare.
Kant e Laplace tentarono di risolverlo. Hanno fallito. Il problema? Il Sole possiede la maggior parte della massa. I pianeti hanno la maggior parte della rotazione. Questo è il contrario. Ti aspetteresti che la grande cosa mantenga lo slancio.
L’astronomia moderna risolve questo problema osservando le stelle. Guardandoli davvero.
Le stelle leggermente più pesanti del nostro Sole ruotano lentamente. Non così velocemente come previsto dai modelli fisici. Hanno un deficit. Una mancanza di rotazione. Le stelle più piccole mostrano lo stesso problema.
Il colpevole è il vento solare.
Il Sole ha un’atmosfera esterna. Si espande costantemente nello spazio. Questa non è solo aria vuota che va alla deriva. Trasporta massa. Porta slancio.
Le stelle di massa elevata non lo fanno. Non hanno forti venti stellari. Continuano a girare. Il Sole lo fa. Perde massa nello spazio. Questa perdita ne rallenta la rotazione.
È successo più di 4,6 miliardi di anni. Il sole ha rallentato. I pianeti mantennero la rotazione ereditata dalla nebulosa originale. Il sole cedette il suo momento angolare al vuoto. I pianeti mantennero il loro. Ecco perché orbitiamo attorno a una stella che ruota lentamente.
La ricerca di pianeti extrasolari non riguarda solo la ricerca di vicini. Si tratta di rompere l’isolamento del nostro sistema solare. Per decenni gli astronomi hanno operato con un grave handicap. Avevano un punto dati. Terra.
Come si forma effettivamente un sistema planetario? Potremmo solo indovinarlo guardando il nostro cortile. Trovare pianeti attorno ad altre stelle cambia tutto. Rimuove il pregiudizio del singolo esempio. Trasforma la speculazione in scienza.
Ma individuare questi mondi è difficile. Questi oggetti sono piccoli. Sono deboli. E si nascondono nel bagliore accecante delle loro stelle madri. Immagini dirette dai telescopi terrestri? Quasi impossibile. Il bagliore li lava via.
Quindi gli astronomi sono diventati intelligenti. Hanno cercato l’oscillazione.
Il rimorchiatore invisibile
I pianeti non si limitano a stare lì. Tirano.
Un pianeta enorme attira la sua stella. Ciò crea una leggera oscillazione gravitazionale nel movimento della stella attraverso lo spazio. Gli astronomi hanno monitorato questi sottili cambiamenti. Hanno anche osservato i cambiamenti periodici nella radiazione della stella. Il pianeta attira la stella verso di noi, poi la allontana. Questo cambiamento altera la luce che vediamo.
C’era un altro trucco. Transiti.
Quando un pianeta passa davanti alla sua stella, blocca una piccola frazione della luce. La stella si affievolisce. Solo per un momento. La misurazione di questo calo di luminosità è diventata un metodo di rilevamento primario.
Per anni questi metodi indiretti sono stati l’unica via d’accesso. L’immagine diretta è rimasta il Santo Graal.
Le prime rilevazioni
I primi anni ’90 hanno fornito la prima vera prova. Gli astronomi hanno trovato tre corpi che circondano PSR B1257+12.
Questa non era una stella simile al sole. Era una pulsar. Una stella di neutroni in rapida rotazione. Morto, denso e che gira selvaggiamente. Trovare pianeti lì è stato scioccante. Ha suggerito che la formazione planetaria potrebbe avvenire anche nelle dure conseguenze di una supernova.
Poi è arrivata la svolta. 1995.
Un pianeta enorme è stato annunciato attorno a 51 Pegasi. Questo era diverso. Questa era una stella simile al sole. Una stella della sequenza principale. Un vero e proprio analogo solare.
La scoperta ha confermato che esistono pianeti giganti al di fuori del nostro sistema. Alla fine del 1996 l’elenco si allungò. Ma foto dirette? Ancora fuori portata.
Ci è voluto fino al 2005 perché gli astronomi riuscissero a catturare la prima fotografia diretta di quello che sembrava essere un pianeta extrasolare. Decenni di ricerche. Decenni di inferenza indiretta. Infine, una conferma visiva.
Giove caldo e regole infrante
Oggi si conoscono centinaia di sistemi planetari. I dati stanno affluendo. E i dati sono strani.
Molti di questi sistemi contengono pianeti giganti. Giove. Ma non sono dove ci aspettavamo che fossero. Orbitano più vicino alle loro stelle di quanto Mercurio faccia al nostro Sole.
Questo è un problema.
La teoria della formazione standard afferma che i pianeti giganti devono formarsi molto lontano. Abbastanza lontano da fare freddo. Abbastanza freddo da consentire la condensazione del ghiaccio. Il ghiaccio fornisce il materiale solido necessario per costruire un nucleo massiccio. Se fa troppo caldo, niente ghiaccio. Nessun pianeta gigante.
Allora come si sono formati questi Giove Caldi?
Una teoria: la migrazione.
Forse si sono formati molto lontano, dove faceva freddo. Poi si sono trasferiti. Il pianeta interagisce con il disco di gas e polvere che circonda la stella. Le forze di marea trascinano il pianeta verso l’interno. Si muove lentamente a spirale verso la stella. Si ferma quando il materiale del disco è esaurito. La stella lo ha consumato.
Le simulazioni al computer lo supportano. Ma è tutta la verità? Gli astronomi restano divisi.
Il dilemma del limite della neve
Anche il nostro sistema ha degli indizi.
La sonda Galileo è caduta nell’atmosfera di Giove. Ha misurato l’argon e l’azoto molecolare. I livelli di arricchimento erano disattivati. Non corrispondevano alle alte temperature previste vicino alla “linea della neve” durante la formazione.
La linea della neve è il confine dove i composti volatili si congelano nel ghiaccio. Abbiamo pensato che fosse cruciale per la formazione dei pianeti giganti. Senza di esso, otterresti solo pianeti rocciosi.
I dati di Giove suggeriscono il contrario.
Forse il limite della neve non era un grosso problema come pensavamo. O forse la cronologia è sbagliata. Forse il ghiaccio si è formato molto presto. Quando il piano medio della nebulosa era inferiore a 25 K.
A quella temperatura, il limite delle nevi sarebbe stato molto più vicino al Sole di quanto lo sia Giove oggi. Ma a quelle distanze ravvicinate non c’era abbastanza materia per costruire un pianeta gigante.
Quindi il ghiaccio si è formato molto lontano. Ma le condizioni erano diverse. Più freddo. Prima.
Qual è il prossimo passo?
Il primo decennio di scoperte extrasolari è stato dominato dai giganti. Masse simili o maggiori di Giove. Sono facili da trovare. Una grande massa significa una grande oscillazione. Una grande massa significa transiti più profondi.
I pianeti più piccoli sono più difficili.
Con il miglioramento delle tecniche di rilevamento, gli astronomi troveranno mondi più piccoli. Quelli grandi quanto la Terra. Quelli rocciosi.
Questi reperti più piccoli colmeranno le lacune. Ci mostreranno come si formano sistemi come il nostro. Come si evolvono. Quanto siamo comuni.
L’oscillazione rivelerà di più. L’oscuramento esporrà di più. Il bagliore alla fine perderà il suo potere.
Stiamo ancora imparando le regole. E le regole continuano a cambiare.
