Dalla polvere al pianeta: come si formano i giganti gassosi

I giganti gassosi sono costituiti da un massiccio nucleo solido circondato da una massa ancora più grande di elio e idrogeno. Ma anche se questi pianeti sono abbastanza comuni nell’Universo, gli scienziati non capiscono ancora completamente come si formano. 

Ora, gli astrofisici Hiroshi Kobayashi dell’Università di Nagoya e Hidekazu Tanaka dell’Università di Tohoku, hanno sviluppato simulazioni al computer che utilizzano simultaneamente più tipi di materia celeste per ottenere una comprensione più completa di come questi colossali pianeti crescono da minuscoli granelli di polvere. 

“Sappiamo già un bel po’ di come sono fatti i pianeti”, ha affermato Kobayashi. “La polvere che giace all’interno dei dischi protoplanetari di vasta portata che circondano le stelle di nuova formazione, si scontra e si coagula per formare corpi celesti chiamati planetesimi. Questi poi si accumulano per formare pianeti. Nonostante tutto ciò che sappiamo, la formazione di giganti gassosi, come Giove e Saturno, ha a lungo sconcertato gli scienziati”.

I giganti gassosi devono prima sviluppare nuclei solidi

Questo è un problema, perché i giganti gassosi svolgono un ruolo enorme nella formazione di pianeti potenzialmente abitabili all’interno dei sistemi planetari.

Affinché i giganti gassosi si formino, devono prima sviluppare nuclei solidi che abbiano una massa sufficiente, circa dieci volte quella della Terra, per assorbire l’enorme quantità di gas da cui prendono il nome. Gli scienziati hanno lottato a lungo per capire come crescono questi nuclei. Il problema è duplice. 

In primo luogo, la crescita del nucleo dal semplice accumulo di planetesimi vicini richiederebbe più tempo dei diversi milioni di anni durante i quali sopravvivono i dischi protoplanetari contenenti polvere. In secondo luogo, formare nuclei planetari che interagiscono con il disco protoplanetario, facendoli migrare verso l’interno e verso la stella centrale. Ciò rende le condizioni impossibili per l’accumulo di gas.

Per affrontare questo problema, Kobayashi e Tanaka hanno utilizzato tecnologie informatiche all’avanguardia per sviluppare simulazioni in grado di modellare il modo in cui la polvere che giace all’interno del disco protoplanetario può entrare in collisione e crescere per formare il nucleo solido necessario per l’accumulo di gas. 

Uno dei problemi principali con i programmi attuali era che potevano simulare solo collisioni planetarie o di sassi separatamente. “Il nuovo programma è in grado di gestire corpi celesti di tutte le dimensioni e simularne l’evoluzione tramite collisioni”, ha spiegato Kobayashi.

Le simulazioni hanno mostrato che i ciottoli dalle parti esterne del disco protoplanetario si spostano verso l’interno per crescere in planetesimi ghiacciati a circa 10 unità astronomiche (au), dalla stella centrale. Una singola unità astronomica rappresenta la distanza media tra la Terra e il Sole.

Risultato della simulazione polvere-pianeta: distribuzione di massa dei corpi dalla polvere ai pianeti a circa 200.000 anni
Risultato della simulazione polvere-pianeta: distribuzione di massa dei corpi dalla polvere ai pianeti a circa 200.000 anni

Giove e Saturno sono rispettivamente a circa 5,2au e 9,5au dal Sole. La crescita dei ciottoli in planetesimi ghiacciati aumenta il loro numero nella regione del sistema planetario in via di sviluppo che si trova a circa 6-9 au dalla stella centrale. Ciò incoraggia alti tassi di crescita del nucleo, con conseguente formazione di nuclei solidi abbastanza massicci da accumulare gas e trasformarsi in giganti gassosi in un periodo di circa 200.000 anni.

“Ci aspettiamo che la nostra ricerca aiuterà a portare a una completa delucidazione dell’origine dei pianeti abitabili, non solo nel sistema solare, ma anche in altri sistemi planetari attorno alle stelle”, ha concluso Kobayashi.

La scoperta è stata pubblicata sulla rivista The Astrophysical Journal.

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