Nel 1930, l’astronomo Clyde Tombaugh scoprì il leggendario “Nono pianeta” (o “Pianeta X”) mentre lavorava al Lowell Observatory di Flagstaff, in Arizona. L’esistenza di questo corpo era stata prevista in precedenza sulla base delle perturbazioni notate nell’orbita di Urano e Nettuno. Plutone, così fu chiamato il nuovo pianeta, è stato oggetto di considerevoli studi ed è stato visitato per la prima volta il 14 luglio 2015 dalla missione New Horizons.
Una cosa che è stata chiara fin dall’inizio è la natura dell’orbita di Plutone, che è molto eccentrica e inclinata. Secondo una nuova ricerca, l’orbita di Plutone è relativamente stabile su scale temporali più lunghe, ma è soggetta a perturbazioni caotiche e cambiamenti su scale temporali più brevi.
La ricerca è stata condotta da Renu Malhotra, professoressa di ricerca scientifica Louise Foucar Marshall presso il Lunar and Planetary Laboratory (LPL) dell’Università dell’Arizona, e Takashi Ito, professore associato presso il Planetary Exploration Research Center (PERC) del Chiba Institute of Technology e il Centro di Astrofisica Computazionale dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ).
Il documento che descrive le loro scoperte è apparso di recente negli Acys of National Academy of Sciences.
L’orbita di Plutone è radicalmente diversa da quelle degli altri pianeti, che seguono orbite quasi circolari attorno al Sole seguendo il suo equatore, proiettato verso l’esterno (ovvero l’eclittica). Al contrario, Plutone impiega 248 anni per completare un’unica orbita attorno al Sole e segue un percorso altamente ellittico inclinato di 17° rispetto al piano dell’eclittica del Sistema Solare. La natura eccentrica della sua orbita significa anche che Plutone trascorre 20 anni durante ogni orbita più vicino al Sole che a Nettuno.
La natura dell’orbita di Plutone è un mistero duraturo e qualcosa di cui gli astronomi sono venuti a conoscenza poco dopo la sua scoperta. Da allora, sono stati compiuti molteplici sforzi per simulare il passato e il futuro della sua orbita, che ha rivelato una proprietà sorprendente che protegge Plutone dalla collisione con Nettuno.
In pratica, Plutone è in una condizione di risonanza orbitale nota come “risonanza del movimento medio“:
“Questa condizione assicura che nel momento in cui Plutone si trova alla stessa distanza eliocentrica di Nettuno, la sua longitudine è di quasi 90 gradi da quella di Nettuno. Successivamente è stata scoperta un’altra proprietà peculiare dell’orbita di Plutone: Plutone arriva al perielio in una posizione ben al di sopra del piano dell’orbita di Nettuno; questo è un diverso tipo di risonanza orbitale nota come “oscillazione vZLK”“.
Questa abbreviazione si riferisce a von Zeipel, Lidov e Kozai, che hanno studiato questo fenomeno come parte del “problema dei tre corpi“. Questo problema consiste nel prendere le posizioni e le velocità iniziali di tre oggetti massicci e risolverne il movimento successivo secondo le Tre leggi del moto di Newton e la sua Teoria della gravitazione universale, per i quali non esiste una soluzione generale.
Come ha detto Malhotra: “Alla fine degli anni ’80, con la disponibilità di computer più potenti, le simulazioni numeriche hanno rivelato una terza proprietà peculiare, che l’orbita di Plutone è tecnicamente caotica, cioè piccole deviazioni delle condizioni iniziali portano a una divergenza esponenziale delle soluzioni orbitali in decine di milioni di anni”.
“Tuttavia, questo caos è limitato. È stato scoperto in simulazioni numeriche che le due proprietà speciali dell’orbita di Plutone sopra menzionate persistono su scale temporali di gigayear, rendendo la sua orbita notevolmente stabile, nonostante gli indicatori di caos“.
Per il loro studio, Malhotra e Ito hanno condotto simulazioni numeriche dell’orbita di Plutone fino a cinque miliardi di anni nel futuro del Sistema Solare. In particolare, speravano di affrontare questioni irrisolte sulle orbite peculiari di Plutone e di altri oggetti di dimensioni Plutone (alias Plutino). Queste domande sono state affrontate da ricerche condotte negli ultimi decenni, come la “teoria della migrazione dei pianeti“.
In questa ipotesi, Plutone è stato trascinato nella sua attuale risonanza del moto medio da Nettuno, che migrò durante la prima storia del Sistema Solare. Una delle principali previsioni di questa teoria è che altri oggetti transnettuniani (TNO) condividerebbero la stessa condizione di risonanza, che da allora è stata verificata con la scoperta di un gran numero di Plutini.
Questa scoperta ha anche portato alla più diffusa accettazione della teoria della migrazione dei pianeti.
Ma come ha spiegato Malhotra: “L’inclinazione orbitale di Plutone è strettamente legata alla sua oscillazione vZLK. Quindi abbiamo ragionato che se potessimo capire meglio le condizioni per l’oscillazione vZLK di Plutone, forse potremmo risolvere il mistero della sua inclinazione. Abbiamo iniziato indagando il ruolo individuale degli altri pianeti giganti (Giove, Saturno e Urano) sull’orbita di Plutone“.
Per fare ciò, Malhotra e Ito hanno eseguito simulazioni al computer in cui hanno simulato l’evoluzione orbitale di Plutone per un massimo di 5 miliardi di anni includendo otto diverse combinazioni di perturbazione del pianeta gigante. Queste simulazioni N-body includevano interazioni con:
- Nettuno (—NP)
- Urano e Nettuno (–UNP)
- Saturno e Nettuno (-S-NP)
- Giove e Nettuno (J–NP)
- Saturno, Urano e Nettuno (-SUNP)
- Giove, Urano e Nettuno (J-UNP)
- Giove, Saturno e Nettuno (JS-NP)
- Giove, Saturno, Urano e Nettuno (JSUNP)
“Abbiamo scoperto che nessun sottoinsieme dei tre pianeti giganti interni permetterebbe di recuperare l’oscillazione vZLK di Plutone; tutti e tre – Giove, Saturno e Urano – sono necessari contemporaneamente“, ha detto Malhotra. “Ma perché questi pianeti che [sono] essenziali per l’oscillazione vZLK di Plutone?”
Lo ha spiegato Malhotra: “Ci sono 21 parametri necessari per rappresentare le forze gravitazionali di Giove, Saturno e Urano su Plutone. Questo è uno spazio parametrico proibitivo da esplorare“.
Per semplificare questi calcoli, Malhotra e Ito li hanno compressi in un unico parametro introducendo alcune semplificazioni. Ciò includeva la rappresentazione di ogni pianeta con un anello circolare di densità uniforme, una massa totale uguale a quella del pianeta e un raggio dell’anello uguale alla distanza media del pianeta dal Sole (noto anche come semiasse maggiore).
Come ha indicato Malhotra, questo ha prodotto un singolo parametro che rappresenta l’effetto di Giove, Saturno e Urano (J2), equivalente all’effetto di un “Sole oblato“.
“[Abbiamo] scoperto una disposizione fortuita delle masse e delle orbite dei pianeti giganti che delinea un intervallo ristretto nel parametro J2 in cui è possibile l’oscillazione vZLK di Plutone, una sorta di ‘zona Goldilock’“, ha detto.
“Questo risultato indica che, durante l’era della migrazione dei pianeti nella storia [del] Sistema Solare, le condizioni per gli oggetti transnettuniani sono cambiate in modo tale da promuovere molti di loro, incluso Plutone, nello stato di oscillazione vZLK. È probabile che che l’inclinazione di Plutone ebbe origine durante questa evoluzione dinamica“.
È probabile che questi risultati abbiano implicazioni significative per gli studi futuri del Sistema Solare esterno e della sua dinamica orbitale.
Con ulteriori studi, Malhotra crede che gli astronomi impareranno di più sulla storia della migrazione dei pianeti giganti e su come alla fine si sono stabiliti nelle loro orbite attuali. Potrebbe anche portare alla scoperta di un nuovo meccanismo dinamico che spiegherà le origini dell’orbita di Plutone e di altri corpi con inclinazioni orbitali elevate.
Ciò sarà particolarmente utile agli astronomi che si dedicano allo studio della dinamica del Sistema Solare. Come ha notato Malhorta, i ricercatori in questo campo stavano iniziando a sospettare che le prove che avrebbero potuto far luce sull’evoluzione orbitale di Plutone potessero essere state cancellate dalle instabilità e dalla natura caotica di queste stesse meccaniche orbitali.
Come ha riassunto Malhotra: “Penso che il nostro lavoro susciti nuove speranze per creare una connessione tra la dinamica del Sistema Solare odierno e la dinamica storica del Sistema Solare. L’origine delle inclinazioni orbitali dei pianeti minori in tutto il sistema solare – compresi i TNO – presenta un grave problema irrisolto; forse il nostro lavoro stimolerà maggiore attenzione su di esso”.
“Un altro punto che il nostro studio sottolinea è il valore delle approssimazioni semplici(r) per un problema complicato: cioè, la compressione di 21 parametri in un singolo parametro ha aperto la porta per ottenere i meccanismi dinamici essenziali che interessano il molto interessante ma difficile da capire dinamica orbitale di Plutone e Plutino“.
