L’instabilità all’inizio del sistema solare fa presagire un pianeta non ancora scoperto?


Tutte le stelle, compreso il nostro sole, nascono da una nube di polvere e gas. Questa nube può anche seminare pianeti che orbiteranno intorno alla stella.

Seth Jacobson della Michigan State University e colleghi di Cina e Francia hanno svelato una nuova teoria che potrebbe aiutare a risolvere il mistero su come si sia evoluto il nostro sistema solare. In particolare, come hanno fatto i giganti gassosi – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – a finire dove sono, orbitando intorno al sole come fanno?

La ricerca ha anche implicazioni su come si sono formati i pianeti terrestri come la Terra e sulla possibilità che un quinto gigante gassoso sia in agguato a 50 miliardi di chilometri di distanza.

Il nostro sistema solare non ha sempre avuto l’aspetto che ha oggi. Nel corso della sua storia, le orbite dei pianeti sono cambiate radicalmente“, ha detto Jacobson, assistente professore nel Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente del College of Natural Science. “Ma possiamo capire cosa è successo“.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature il 27 aprile, offre una spiegazione per ciò che è successo ai giganti gassosi in altri sistemi solari e al nostro.

È un bel modello

Le stelle nascono da enormi nubi vorticose di gas cosmico e polvere. Una volta che il nostro sole si è acceso, il primo sistema solare era ancora colmo di un disco primordiale di gas che ha giocato un ruolo fondamentale nella formazione ed evoluzione dei pianeti, compresi i giganti gassosi.

Alla fine del XX secolo, gli scienziati iniziarono a credere che i giganti gassosi inizialmente ruotassero intorno al sole in orbite ordinate, compatte ed equidistanti. Giove, Saturno e gli altri, invece, si sono da tempo assestati in orbite relativamente oblunghe, storte e distanziate.

Quindi la domanda per i ricercatori ora è: “Perché?

Nel 2005, un team internazionale di scienziati ha proposto una risposta a questa domanda in un trio di articoli di riferimento su Nature. La soluzione è stata originariamente sviluppata a Nizza, in Francia, ed è conosciuta come il modello di Nizza. Essa presuppone che ci sia stata un’instabilità tra questi pianeti, un insieme caotico di interazioni gravitazionali che alla fine li ha portati sui loro percorsi attuali.

Questo è stato uno spostamento tettonico nel modo in cui gli astronomi pensavano al primo sistema solare“, ha detto Jacobson.

Il modello di Nizza rimane una delle spiegazioni principali, ma negli ultimi 17 anni, gli scienziati hanno trovato nuove domande da porre su ciò che scatena l’instabilità del modello di Nizza.

Per esempio, inizialmente si pensava che l’instabilità dei giganti gassosi avesse luogo centinaia di milioni di anni dopo la dispersione del disco di gas primordiale che ha dato vita al sistema solare. Ma prove più recenti, comprese alcune trovate nelle rocce lunari recuperate dalle missioni Apollo, suggeriscono che sia avvenuta più rapidamente. Questo solleva anche nuove domande su come si è evoluto il sistema solare interno che ospita la Terra.

Lavorando con Beibei Liu della Zhejiang University in Cina e Sean Raymond dell’Università di Bordeaux in Francia, Jacobson ha contribuito a trovare una soluzione che ha a che fare con il modo in cui l’instabilità è iniziata. Il team ha proposto un nuovo innesco.

Penso che la nostra nuova idea potrebbe davvero allentare molte tensioni nel campo, perché quello che abbiamo proposto è una risposta molto naturale a quando è avvenuta l’instabilità del pianeta gigante“, ha detto Jacobson.

Un rendering artistico mostra un ipotetico sistema solare precoce con una giovane stella che libera un percorso nel gas e nella polvere rimasti dalla sua formazione. Questa azione di compensazione influenzerebbe le orbite dei giganti gassosi che orbitano intorno alla stella.

Il nuovo innesco

L’idea è partita da una conversazione che Raymond e Jacobsen hanno avuto nel 2019. Hanno teorizzato che i giganti gassosi potrebbero essere stati impostati sui loro percorsi attuali a causa di come il disco di gas primordiale è evaporato. Questo potrebbe spiegare come i pianeti si siano diffusi molto prima nell’evoluzione del sistema solare rispetto al modello di Nizza originariamente postulato e forse anche senza l’instabilità per spingerli lì.

Ci siamo chiesti se il modello di Nizza fosse davvero necessario per spiegare il sistema solare“, ha detto Raymond. “Ci è venuta l’idea che i pianeti giganti potessero diffondersi per un effetto di ‘rimbalzo’ mentre il disco si dissipava, forse senza mai diventare instabili“.

Raymond e Jacobsen hanno poi contattato Liu, che è stato il pioniere di questa idea dell’effetto rimbalzo attraverso ampie simulazioni di dischi di gas e grandi esopianeti – pianeti in altri sistemi solari – che orbitano vicino alle loro stelle.

La situazione nel nostro sistema solare è leggermente diversa perché Giove, Saturno, Urano e Nettuno sono distribuiti su orbite più ampie“, ha detto Liu. “Dopo alcune iterazioni di sessioni di brainstorming, ci siamo resi conto che il problema potrebbe essere risolto se il disco di gas si dissipasse dall’interno verso l’esterno“.

Il team ha scoperto che questa dissipazione dall’interno verso l’esterno ha fornito un innesco naturale per l’instabilità del modello di Nizza, ha detto Raymond.

Abbiamo finito per rafforzare il modello di Nizza piuttosto che distruggerlo“, ha detto. “Questa è stata un’illustrazione divertente del testare le nostre idee preconcette e seguire i risultati ovunque ci portino“.

Con il nuovo innesco, l’immagine all’inizio dell’instabilità sembra la stessa. C’è ancora un sole nascente circondato da una nuvola di gas e polvere. Una manciata di giovani giganti gassosi ruota intorno alla stella in orbite ordinate e compatte attraverso quella nube.

Tutti i sistemi solari si formano in un disco di gas e polvere. È un sottoprodotto naturale di come si formano le stelle“, ha detto Jacobson. “Ma quando il sole si accende e inizia a bruciare il suo combustibile nucleare, genera luce solare, riscaldando il disco e alla fine lo fa esplodere dall’interno verso l’esterno“.

Questo ha creato un buco crescente nella nube di gas, centrato sul sole. Mentre il buco cresceva, il suo bordo passava attraverso le orbite di ogni gigante gassoso. Questa transizione porta alla necessaria instabilità del pianeta gigante con una probabilità molto alta, secondo le simulazioni al computer del team. Il processo di spostamento di questi grandi pianeti nelle loro orbite attuali si muove anche velocemente rispetto alla linea temporale originale del modello di Nizza di centinaia di milioni di anni.

L’instabilità si verifica all’inizio della dissipazione del disco gassoso del sole, costretta ad essere entro pochi milioni di anni a 10 milioni di anni dopo la nascita del sistema solare“, ha detto Liu.

Il nuovo innesco porta anche alla mescolanza di materiale del sistema solare esterno e del sistema solare interno. La geochimica della Terra suggerisce che una tale miscelazione doveva avvenire mentre il nostro pianeta era ancora nel bel mezzo della formazione.

Questo processo stava davvero andando a mescolare il sistema solare interno e la Terra ha potuto crescere da questo“, ha detto Jacobson. “Questo è abbastanza coerente con le osservazioni“. Esplorare la connessione tra l’instabilità e la formazione della Terra è un argomento di lavoro futuro per il gruppo.

Infine, la nuova spiegazione del team vale anche per altri sistemi solari nella nostra galassia, dove gli scienziati hanno osservato giganti gassosi che orbitano intorno alle loro stelle in configurazioni simili a quelle che vediamo nella nostra.

Siamo solo un esempio di un sistema solare nella nostra galassia“, ha detto Jacobson. “Quello che stiamo mostrando è che l’instabilità si è verificata in un modo diverso, uno che è più universale e più coerente“.

Il pianeta 9 dallo spazio

Anche se il documento del team non lo sottolinea, Jacobson ha detto che il lavoro ha implicazioni per uno dei dibattiti più popolari e occasionalmente accesi sul nostro sistema solare: Quanti pianeti possiede?

Attualmente, la risposta è otto, ma si è scoperto che il modello di Nizza ha funzionato leggermente meglio quando il primo sistema solare aveva cinque giganti gassosi invece di quattro. Purtroppo, secondo il modello, quel pianeta in più è stato fiondato fuori dal nostro sistema solare durante l’instabilità, il che ha aiutato i restanti giganti gassosi a trovare le loro orbite.

Nel 2015, tuttavia, i ricercatori del Caltech hanno trovato la prova che ci potrebbe essere ancora un pianeta non scoperto che si aggira nella periferia del sistema solare a circa 80 miliardi di chilometri dal sole, molto più lontano di Nettuno.

Non c’è ancora nessuna prova concreta che questo ipotetico pianeta – soprannominato Pianeta X o Pianeta 9 – o il pianeta “extra” del modello di Nizza esistano davvero. Ma, se così fosse, potrebbero essere la stessa cosa?

Jacobson e i suoi colleghi non potevano rispondere a questa domanda direttamente con le loro simulazioni, ma potevano fare la cosa migliore. Sapendo che il loro innesco di instabilità riproduce correttamente il quadro attuale del nostro sistema solare, hanno potuto testare se il loro modello funziona meglio partendo da quattro o cinque giganti gassosi.

Per noi, il risultato è stato molto simile se si inizia con quattro o cinque“, ha detto Jacobson. “Se si inizia con cinque, è più probabile che si finisca con quattro. Ma se si inizia con quattro, le orbite finiscono per combaciare meglio“.

In ogni caso, l’umanità dovrebbe avere presto una risposta. L’Osservatorio Vera Rubin, che dovrebbe essere operativo entro la fine del 2023, dovrebbe essere in grado di individuare il Pianeta 9, se è là fuori.

Il Pianeta 9 è super controverso, quindi non lo abbiamo sottolineato nell’articolo”, ha detto Jacobson, “Ma ci piace parlarne con il pubblico“.

È un promemoria che il nostro sistema solare è un luogo dinamico, ancora pieno di misteri e scoperte che aspettano di essere fatte.

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