Le lacune nei disci circumstellari non sempre indicano la nascita di pianeti


I vorticosi dischi di gas e polvere intorno alle giovani stelle,  Nuove ricerche sollevano interrogativi sul fatto che le lacune nei vorticosi dischi di gas e polvere intorno alle giovani stelle non sempre siano i luoghi di nascita dei pianeti.

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L’album fotografico dei pianeti neonati potrebbe essere più vuoto di quanto hanno finora pensato gli astronomi. 

Nuove ricerche stanno spingendo il dibattito sulla teoria secondo cui le lacune nei dischi che formano i pianeti intorno alle giovani stelle segnano gli spazi dove i pianeti vengono creati in tempo reale. Si scopre che i pianeti che, secondo le simulazioni, crescerebbero in quelle lacune non assomigliano ai pianeti adulti osservati intorno a stelle più mature. 

Quindi, forse questi dischi interrotti non indicano affatto la formazione di pianeti – o almeno, non i tipi più comuni di pianeti che i telescopi attuali possono vedere.

“La domanda che abbiamo sollevato è se quelle lacune negli anelli sono davvero causate dai pianeti, o sono causate da altre cose”, dice l’astrofisico Nelson Ndugu dell’Università di Scienze e Tecnologia di Mbarara in Uganda. “In questo momento è troppo presto per prendere le parti in causa”. 

La ricetta base della formazione dei pianeti parte da una nuvola di gas e polvere, che collassa in una stella centrale circondata da un disco rotante: La gravità attira il gas e la polvere in grumi delle dimensioni di un ciottolo, che si raggruppano in massi. Alla fine quei massi diventano grandi e abbastanza potenti da poter iniziare a sollevare il gas circostante, per poi trasformarsi in giganti gassosi. I modelli teorici suggeriscono che l’intero processo dovrebbe richiedere circa 10 milioni di anni per costruire un pianeta gioviano.

Nel 2014, gli astronomi hanno avuto quello che sembrava il loro primo assaggio di questo processo in azione, ALMA ha scattato un’immagine della giovane stella HL Tau, distante circa 450 anni luce nella costellazione del Toro, che mostrava un disco interrotto da buie lacune.

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Il disco di formazione planetaria intorno alla giovane stella HL Tau è attraversato da anelli, che si pensa siano scolpiti da pianeti che crescono all’interno delle lacune. Ma HL Tau è troppo giovane per avere pianeti così ben sviluppati.

Inizialmente i ricercatori attribuivano tali lacune ai pianeti appena nati che, man mano che crescevano, raccoglievano il gas dei dischi. Un processo simile si pensa che abbia modellato gli anelli e le lune intorno a Saturno. Poi, nel 2018, gli astronomi hanno scoperto un pianeta chiamato PDS 70b, il primo pianeta neonato ad essere stato avvistato crescere in un tale spazio in un disco protoplanetario. Osservazioni successive hanno trovato un secondo pianeta in orbita intorno alla stessa stella. 

Il problema è che i pianeti in orbita intorno al PDS 70 sono ancora gli unici esempi osservati. La teoria non era adatta nemmeno per HL Tau: La stella aveva solo 1 milione di anni, troppo giovane per essere riuscita a formare un sistema planetario.

“Non aveva davvero senso”, dice l’astrofisica Nienke van der Marel dell’Herzberg Institute for Astrophysics di Victoria, Canada. A febbraio, lei e i suoi colleghi hanno pubblicato sull’Astrophysical Journal un’indagine su altri 16 dischi protoplanetari, con età che vanno da meno di mezzo milione di anni a più di 10 milioni di anni. Tutti i dischi sono stati rotti in lacune e anelli, piuttosto che essere distese lisce di gas. 

“Questo è difficile da spiegare se è causato da pianeti”, dice. Se tutte quelle lacune segnassero punti di formazione dei pianeti, ciò significherebbe che “i pianeti devono formarsi molto velocemente”.

Anche se i pianeti sono stati responsabili di tutte le lacune osservate, le cose non quadrano ancora, Ndugu e colleghi ne discutono in un articolo pubblicato su arXiv.org il 27 giugno. I ricercatori hanno eseguito simulazioni al computer di pianeti che crescono e hanno confrontato i dischi ad anelli risultanti con le osservazioni di ALMA di 20 dischi protoplanetari di un’indagine del 2018 chiamata DSHARP. 

“Abbiamo fatto questo sondaggio come passo intermedio per le nostre simulazioni di formazione per vedere cosa succede realmente”, dice l’astrofisico Bertram Bitsch del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, Germania. Il team ha poi lasciato che le simulazioni si svolgessero fino a quando il disco scompariva, o si era fuso in pianeti o veniva spazzato via dalle radiazioni della stella.

Entrambe le fasi della simulazione hanno prodotto risultati che si discostano da quanto osservato. In primo luogo, le simulazioni suggerivano che la portata esterna dei dischi aveva bisogno di circa 2.000 volte la massa terrestre in ciottoli per far crescere pianeti che potessero aprire le lacune osservate. Ma la maggior parte delle stelle non hanno molto materiale nel raggio esterno dei loro dischi.

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Questa è la prima istantanea in assoluto di un giovane pianeta nell’atto di formarsi all’interno di una lacuna in un disco. Il pianeta, chiamato PDS 70b, è visibile come il punto luminoso a destra del centro oscurato, che blocca la luce della stella centrale. L’immagine è stata scattata con lo strumento SPHERE sul Very Large Telescope in Cile.

Supponendo che le lacune nei dischi DSHARP fossero dovute ai pianeti, le simulazioni indicavano che questi pianeti sarebbero diventati giganti gassosi in orbita almeno quanto Urano dal sole. Tali pianeti dovrebbero essere abbastanza luminosi da poter essere visti con i telescopi. Ma degli oltre 4.000 esopianeti adulti scoperti fino ad oggi, solo pochi sono giganti gassosi così lontani.

“Prevediamo una certa popolazione di pianeti che sarebbe osservabile, ma non li vediamo”, dice Bitsch. Manca qualcosa dalla teoria di come si formano le lacune nei dischi di gas, conclude il team. 

E’ possibile, naturalmente, che i dischi finora studiati siano eccezioni alla regola. Le immagini DSHARP si sono concentrate sui dischi più grandi e luminosi perché sono più facili da individuare, dice Jane Huang, membro del team di indagine del Harvard Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Mass. Così confrontando i potenziali pianeti in quei dischi con l’intera popolazione di esopianeti “non sarà un confronto equo”, dice.

Gli astronomi sono anche alla ricerca di altri modi per creare lacune in un disco. “Forse c’è della fisica esotica nei dischi che non richiede pianeti”, dice van der Marel. Il suo lavoro pubblicato a febbraio ha escluso una teoria: le lacune rappresentano “linee di neve” intorno alla stella, dove vari elementi chimici si condensano da gas a solido. Ma ci sono ancora opzioni che coinvolgono campi magnetici, correnti alla deriva o stranezze gravitazionali.

Queste possibilità più esotiche, però, non possono spiegare ogni disco. Non è nemmeno chiaro che questi processi avvengono sempre nei dischi. Quindi la teoria della costruzione del pianeta, per tutti i suoi difetti, potrebbe essere ancora la cosa migliore.

“Uno dei vantaggi della spiegazione del pianeta”, dice Huang, “è che sappiamo che i pianeti esistono”.

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