Pianeti canaglia: sono tra 70 e 170 quelli individuati, qual è la loro origine?

C'è una popolazione di pianeti che vaga nello spazio senza legami con nessuna stella, gli astronomi li chiamano pianeti canaglia o pianeti fluttuanti (FFP)

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Pianeti canaglia: sono tra 70 e 170 quelli individuati, qual è la loro origine?

C’è una popolazione di pianeti che vaga nello spazio senza legami con nessuna stella, gli astronomi li chiamano pianeti canaglia o pianeti fluttuanti (FFP). Alcuni di questi pianeti canaglia, o fluttuanti, sembra si formino come solitari, non avendo mai goduto della compagnia di una stella, ma per la maggior parte sono stati espulsi dai sistemi solari di origine e ci sono diversi modi in cui ciò può accadere.

Pianeti canaglia: da dove vengono e come si formano

Un ricercatore ha cercato di comprendere come si sia formata la numerosa popolazione di pianeti canaglia.

Gli FFP sono anche chiamati oggetti di massa planetaria isolati (iPMO) nella letteratura scientifica, ma indipendentemente dal nome utilizzato, sono la stessa cosa. Questi pianeti vagano da soli nello spazio interstellare, separati da qualsiasi relazione con stelle o altri pianeti.

I pianeti canaglia sono misteriosi perché estremamente difficili da rilevare. Gli astronomi, però, hanno strumenti sempre migliori per le rilevazioni e nel 2021 hanno compiuto numerose osservazioni e ne hanno rilevati almeno 70, forse molti di più.

Questa immagine mostra le posizioni di 115 potenziali pianeti canaglia, evidenziati con cerchi rossi, scoperti di recente nel 2021 da un team di astronomi in una regione del cielo occupata dallo Scorpione Superiore e dall'Ofiuco. Il numero esatto di pianeti canaglia trovati dal team è compreso tra 70 e 170, a seconda dell'età presunta per la regione di studio. Questa immagine è stata creata presupponendo un'età intermedia, risultando in un numero di pianeti candidati compresi tra i due estremi dello studio. Credito immagine: ESO/N. Risinger (skysurvey.org)
Questa immagine mostra le posizioni di 115 potenziali pianeti canaglia, evidenziati con cerchi rossi, scoperti nel 2021 da un team di astronomi in una regione del cielo occupata dallo Scorpione Superiore e dall’Ofiuco. Il numero esatto di pianeti canaglia trovati dal team è compreso tra 70 e 170, a seconda dell’età presunta per la regione di studio. Questa immagine è stata creata presupponendo un’età intermedia, risultando in un numero di pianeti candidati compresi tra i due estremi dello studio. Credito immagine: ESO/N. Risinger (skysurvey.org)

In termini generali, ci sono due modi in cui si possono formare i pianeti canaglia. Possono formarsi come la maggior parte dei pianeti, nei dischi protoplanetari attorno a giovani stelle; questi pianeti si formano per accumulo di polvere e gas. Oppure possono formarsi come fanno le stelle, collassando in una nuvola di gas e polvere non collegata a una stella.



Per i pianeti che si formano attorno alle stelle e alla fine vengono espulsi, esistono diversi meccanismi di espulsione. Possono essere espulsi dalle interazioni con le loro stelle in un sistema stellare binario, possono essere espulsi dalle alterazioni gravitazionali provocate nel loro sistema di origine dal passaggio ravvicinato di un’altra stella o possono essere espulsi da uno scattering pianeta-pianeta.

Nel tentativo di comprendere meglio la popolazione i pianeti canaglia, un ricercatore ha esaminato i pianeti canaglia espulsi. Ha simulato i pianeti fluttuanti che risultano dalle interazioni pianeta-pianeta e quelli che provengono da sistemi stellari binari, dove le interazioni gravitazionali delle loro stelle binarie li hanno espulsi. Potrebbe esserci un modo per distinguerli e capire meglio come nascono questi oggetti?

Il nuovo studio sui pianeti canaglia

Un nuovo articolo intitolato “On the properties of free floating planets originating in circumbinary planetary systems” ha affrontato il problema. L’autore è Gavin Coleman del Dipartimento di Fisica e Astronomia della Queen Mary University di Londra. L’articolo sarà pubblicato nei Monthly advices of Royal Astronomical Society.

Nel suo articolo, Coleman sottolinea che i ricercatori hanno esplorato il modo in cui si formano i FFP ma che c’è ancora molto da fare. “Numerosi lavori hanno esplorato i meccanismi che formano tali oggetti, ma non hanno ancora fornito previsioni sulla loro distribuzione che potrebbe differenziare i meccanismi di formazione“, scrive.

Coleman si concentra sui pianeti espulsi piuttosto che quelli che si sono formati direttamente come fluttuanti. Evita i pianeti canaglia che sono il risultato di interazioni con altri pianeti perché la dispersione pianeta-pianeta non è così significativa come altri tipi di espulsioni. “Vale la pena notare che la dispersione pianeta-pianeta attorno a singole stelle non può spiegare il gran numero di FFP osservati nelle osservazioni”, spiega Coleman.

L'impressione di questo artista mostra un esempio di un pianeta canaglia con il complesso nuvoloso Rho Ophiuchi visibile sullo sfondo. I pianeti canaglia hanno masse paragonabili a quelle dei pianeti del nostro Sistema Solare, ma non orbitano attorno a una stella, ma vagano liberamente per conto proprio. Credito immagine: ESO/M. Kornmesser/S. Guisardo
L’impressione di questo artista mostra un esempio di un pianeta canaglia con il complesso Rho Ophiuchi visibile sullo sfondo. I pianeti canaglia hanno masse paragonabili a quelle dei pianeti del nostro Sistema Solare, ma non orbitano attorno a una stella, vagando liberamente per conto proprio. Credito immagine: ESO/M. Kornmesser/S. Guisardo

Coleman nel suo lavoro individua i sistemi stellari binari e i loro pianeti circumbinari. Precedenti ricerche mostrano che i pianeti vengono espulsi naturalmente dai sistemi circumbinari. Nella sua ricerca, Coleman ha simulato sistemi stellari binari e il modo in cui si comportano i pianeti espulsi da questi sistemi. “Troviamo differenze significative tra i pianeti espulsi attraverso le interazioni pianeta-pianeta e quelli generati dalle stelle binarie“, scrive.

Coleman ha basato le sue simulazioni su un sistema stellare binario chiamato TOI 1338. TOI 1338 ha un pianeta circumbinario noto chiamato BEBOP-1. L’utilizzo di un sistema binario noto con un pianeta circumbinario confermato fornisce una solida base per le sue simulazioni. Gli ha anche permesso di confrontare i suoi risultati con altre simulazioni basate su BEBOP-1.

La simulazione ha variato diversi parametri: la massa iniziale del disco, la separazione binaria, la forza dell’ambiente esterno e il livello di turbolenza nel disco. Questi parametri governano fortemente i pianeti che si formano. Altri parametri utilizzavano un solo valore: la massa stellare combinata, il rapporto di massa e l’eccentricità binaria. La massa stellare combinata di TOI 1338 è di circa 1,3 masse solari, in linea con la media dei sistemi binari di circa 1,5 masse solari.

Ogni simulazione è durata 10 milioni di anni, un tempo sufficiente perché il sistema solare prendesse forma.

Coleman ha scoperto che i sistemi circumbinari producono pianeti canaglia in modo efficiente. Nelle simulazioni, ogni sistema binario espelle in media da due a sette pianeti con massa maggiore di quella terrestre. Per i pianeti giganti superiori a 100 masse terrestri, il numero di pianeti espulsi scende a 0,6 pianeti espulsi per sistema.

Questa figura del documento mostra le masse dei pianeti espulsi. La linea blu rappresenta tutti i pianeti, la linea rossa rappresenta i pianeti con meno di una massa terrestre e la linea gialla rappresenta enormi pianeti con più di 100 masse terrestri. Credito immagine: Coleman 2024.
Questa figura del documento mostra le masse dei pianeti espulsi. La linea blu rappresenta tutti i pianeti, la linea rossa rappresenta i pianeti con meno di una massa terrestre e la linea gialla rappresenta enormi pianeti con più di 100 masse terrestri. Credito immagine: Coleman 2024.

Le simulazioni hanno anche mostrato che la maggior parte dei pianeti vengono espulsi dai loro dischi circumbinari tra 0,4 e 4 milioni di anni dopo l’inizio della simulazione. A questa età, il disco circumbinario non è stato dissipato e spazzato via.

Questa figura mostra il tempo di espulsione di pianeti di masse diverse. La maggior parte dei pianeti che diventano FFP vengono espulsi entro il primo milione di anni. Credito immagine: Coleman 2024.
Questa figura mostra il tempo di espulsione di pianeti di masse diverse. La maggior parte dei pianeti che diventano FFP vengono espulsi entro il primo milione di anni. Credito immagine: Coleman 2024

Il risultato più importante potrebbe riguardare le velocità di dispersione dei pianeti canaglia. “Quando i pianeti vengono espulsi dai sistemi, mantengono velocità in eccesso significative, comprese tra 8 e 16 km. Questo è un valore molto più grande delle dispersioni di velocità osservate delle stelle nelle regioni locali di formazione stellare”, spiega Coleman. Ciò significa quindi che le dispersioni di velocità dei pianeti canaglia possono essere utilizzate per distinguere quelli espulsi da quelli che si sono formati come solitari.

Le velocità di dispersione forniscono un’altra finestra sulla popolazione FFP. Le simulazioni di Coleman mostrano che la dispersione della velocità dei pianeti canaglia espulsi attraverso le interazioni con le stelle binarie è circa tre volte maggiore della dispersione dei pianeti espulsi dallo scattering pianeta-pianeta.

Questa figura mostra la velocità in eccesso della popolazione FPP espulsa nelle simulazioni. La barra codificata a colori sulla destra mostra la quantità di velocità in eccesso. L'asse x mostra la distanza del pericentro perché "fornisce una posizione approssimativa dell'interazione finale che ha portato all'espulsione del pianeta", secondo l'autore. Credito immagine: Coleman 2024.
Questa figura mostra la velocità in eccesso della popolazione FPP espulsa nelle simulazioni. La barra codificata a colori sulla destra mostra la quantità di velocità in eccesso. L’asse x mostra la distanza del pericentro perché “fornisce una posizione approssimativa dell’interazione finale che ha portato all’espulsione del pianeta”, secondo l’autore. Credito immagine: Coleman 2024.

Coleman ha scoperto anche che il livello di turbolenza nel disco influenza l’espulsione dei pianeti. Quanto più debole è la turbolenza, tanti più pianeti vengono espulsi. La turbolenza influenza anche la massa dei pianeti espulsi: una turbolenza più debole espelle pianeti meno massicci, dove circa il 96% dei pianeti espulsi hanno meno di 100 masse terrestri.

Questa cifra della ricerca mostra come il numero di pianeti espulsi dipenda dalla turbolenza nel sistema. Una turbolenza inferiore (blu) espelle più pianeti rispetto a una turbolenza intermedia (rossa) o forte (gialla). L'asse x mostra il numero di pianeti espulsi per sistema e l'asse y mostra la funzione di distribuzione cumulativa. Credito immagine: Coleman, 2024.
Questa cifra della ricerca mostra come il numero di pianeti espulsi dipenda dalla turbolenza nel sistema. Una turbolenza inferiore (blu) espelle più pianeti rispetto a una turbolenza intermedia (rossa) o forte (gialla). L’asse x mostra il numero di pianeti espulsi per sistema e l’asse y mostra la funzione di distribuzione cumulativa. Credito immagine: Coleman, 2024.

Conclusioni

Nel loro insieme, le simulazioni forniscono un modo per osservare la popolazione di pianeti canaglia e determinarne le origini. “Le differenze nella distribuzione delle masse FFP, nelle loro frequenze e nelle velocità in eccesso possono indicare se singole stelle o sistemi circumbinari siano il luogo di nascita fondamentale dei pianeti canaglia“, scrive Coleman nelle sue conclusioni.

L’autore riconosce, però, anche gli inconvenienti delle sue simulazioni e chiarisce ciò che le simulazioni non ci dicono.

Tuttavia, sebbene questo lavoro contenga numerose simulazioni ed esplori un ampio spazio di parametri, non costituisce una popolazione completa di sistemi circumbinari in formazione“, scrive Coleman nella sua conclusione. Secondo Coleman, con la tecnologia attuale non è possibile ricavare una popolazione completa di questi sistemi.

Se tale popolazione dovesse essere analizzata in lavori futuri, il confronto tra quella popolazione e le popolazioni osservate fornirebbe informazioni ancora più preziose sulla formazione di questi oggetti intriganti“, spiega.

C’è ancora molto che gli astronomi non sanno sui sistemi binari e su come si formano ed espellono i pianeti. Infatti, i modelli di formazione dei pianeti vengono costantemente rivisti e aggiornati con nuove informazioni.

Inoltre, non abbiamo un’idea chiara di quanti pianeti canaglia ci siano. Alcuni ricercatori pensano che potrebbero essercene trilioni. Il prossimo telescopio spaziale, il Nancy Roman Grace utilizzerà la lente gravitazionale per effettuare un censimento degli esopianeti, incluso un campione di pianeti canaglia con masse piccole quanto quelle di Marte.

Nel lavoro futuro, Coleman intende determinare se esistono differenze nella composizione chimica tra i pianeti canaglia. Ciò limiterebbe i tipi di stelle attorno a cui si formano e la posizione nei loro dischi protoplanetari. Ciò richiederebbe studi spettroscopici dei pianeti canaglia.

Ma per ora, almeno, Coleman ha sviluppato un modo migliore per comprendere i FFP. Utilizzando questi dati, gli astronomi possono iniziare a discernere da dove provengono i singoli pianeti canaglia e a comprenderne meglio la popolazione in generale.

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