Nuove immagini del telescopio spaziale James Webb (JWST) hanno offerto una visione senza precedenti di un sistema planetario nascente, fornendo indizi su come i pianeti gassosi come Giove e Saturno si formano e si evolvono.
La nascita di un sistema planetario
Lo studio, condotto da Naman Bajaj dell’Università dell’Arizona, e pubblicato su Astronomical Journal, ha osservato il sistema T Cha, una giovane stella avvolta da un disco circumstellare in erosione.
Le immagini hanno rivelato per la prima volta il “vento del disco”, il gas che fuoriesce dal disco di formazione del pianeta. L’analisi del neon e dell’argon ionizzati ha indicato che la quantità di gas che si disperde dal disco T Cha ogni anno è equivalente a quella della Luna terrestre. Le simulazioni hanno suggerito che la dispersione dello stesso potrebbe essere causata da fotoni ad alta energia provenienti dalla giovane stella.
I risultati di questo studio hanno aiutato a comprendere meglio la formazione di un sistema planetario e il destino del gas che lo circonda. Inoltre, lo studio ha rilevato che il disco interno di T Cha si sta evolvendo su scale temporali molto brevi, suggerendo che potrebbe essere alla fine della sua vita.
Queste osservazioni hanno aperto nuove possibilità per lo studio dei sistemi planetari in formazione e del loro destino.
Il destino del gas di un sistema planetario
Gli scienziati ritengono che un sistema planetario come il nostro sistema solare contenga più oggetti rocciosi di quelli ricchi di gas. Intorno al nostro Sole, questi includono i pianeti interni – Mercurio, Venere, Terra e Marte – la fascia degli asteroidi e gli oggetti della cintura di Kuiper come Plutone.
Giove, Saturno, Urano e Nettuno, invece, contengono principalmente gas. Ma gli scienziati sanno anche da molto tempo che i dischi che formano i pianeti iniziano con una massa di gas 100 volte maggiore di quella dei solidi, il che porta a una domanda urgente: quando e come la maggior parte del gas lascia un sistema planetario nascente?
Bajaj, uno studente di dottorato del secondo anno presso il Lunar and Planetary Laboratory dell’UArizona, ha dichiarato: “Sapere quando il gas si disperde è importante in quanto ci dà un’idea migliore di quanto tempo hanno i pianeti gassosi per consumarlo dall’ambiente circostante. Con scorci senza precedenti su questi dischi che circondano le giovani stelle, i luoghi di nascita dei pianeti, JWST ci ha aiutato a scoprire come si formano i pianeti”.
Secondo Bajaj, durante le primissime fasi della formazione del sistema planetario, i pianeti si uniscono in un disco rotante di gas e minuscola polvere attorno alla giovane stella. Queste particelle si aggregano, formando pezzi sempre più grandi chiamati planetesimi.
Nel corso del tempo, questi si scontrano e si uniscono, formando infine i pianeti. Il tipo, le dimensioni e la posizione che si formano dipendono dalla quantità di materiale disponibile e da quanto tempo rimane nel disco.
Bajaj ha spiegato: “In breve, l’esito della formazione dei pianeti dipende dall’evoluzione e dalla dispersione del disco”.
Al centro di questa scoperta c’è l’osservazione di T Cha, una stella giovane – rispetto al Sole, che ha circa 4,6 miliardi di anni – avvolta da un disco circumstellare in erosione, noto per un vasto gap di polvere, che si estende per circa 30 unità astronomiche, o au, dove un au è la distanza media tra la Terra e il Sole.
Bajaj e il suo team sono riusciti, per la prima volta, a fotografare il vento del disco, come viene chiamato il gas quando lascia lentamente il disco di formazione del pianeta. Gli astronomi hanno sfruttato la sensibilità del telescopio alla luce emessa da un atomo quando la radiazione ad alta energia – ad esempio, nella luce delle stelle – strappa uno o più elettroni dal suo nucleo.
Questo è noto come ionizzazione e la luce emessa nel processo può essere utilizzata come una sorta di “impronta digitale” chimica – nel caso del sistema T Cha, tracciando due gas nobili, neon e argon. Le osservazioni hanno segnato anche la prima volta che è stata rilevata una doppia ionizzazione dell’argon in un disco di formazione planetaria, ha scritto il team nell’articolo.
Bajaj ha affermato: “La firma al neon nelle nostre immagini ha rivelato che il vento del disco proviene da una regione estesa lontana dallo stesso. Questi venti potrebbero essere guidati da fotoni ad alta energia – essenzialmente la luce che fluisce dalla stella – o dal campo magnetico che si intreccia attraverso il disco di formazione del pianeta”.
Webb getta nuova luce sull’evoluzione di un sistema planetario
Nel tentativo di distinguere tra i due, lo stesso gruppo, questa volta guidato da Andrew Sellek, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Leiden nei Paesi Bassi, ha eseguito simulazioni della dispersione guidata dai fotoni stellari, l’intensa luce proveniente dalla giovane stella. Egli ha confrontato queste simulazioni con le osservazioni reali e ha scoperto che la dispersione da parte di fotoni stellari ad alta energia può spiegare le osservazioni, e quindi non può essere esclusa come possibilità.
Sebbene le tracce di neon siano state rilevate in molti altri oggetti astronomici, non si sapeva che provenissero da dischi di formazione planetaria di piccola massa fino a quando non sono state scoperte per la prima volta nel 2007 con il predecessore del JWST, il telescopio spaziale Spitzer della NASA, da Ilaria Pascucci, professoressa presso LPL che li ha identificati come traccianti di venti del disco.
Queste prime scoperte hanno trasformato gli sforzi di ricerca focalizzati sulla comprensione della dispersione del gas dai dischi circumstellari.
Pascucci ha dichiarato: “La nostra scoperta dell’emissione di neon risolta spazialmente – e il primo rilevamento di argon doppiamente ionizzato – utilizzando il telescopio spaziale James Webb, potrebbe diventare il passo successivo verso la trasformazione della nostra comprensione di come il gas si libera da un disco di formazione planetaria. Queste informazioni ci aiuteranno a farci un’idea migliore della storia e dell’impatto sul nostro sistema solare”.
Il gruppo, inoltre, ha anche scoperto che il disco interno di T Cha si sta evolvendo su scale temporali molto brevi di decenni. Secondo Chengyan Xie, uno studente di dottorato del secondo anno presso LPL, questa discrepanza potrebbe essere spiegata da un piccolo disco asimmetrico all’interno di T Cha che ha perso parte della sua massa nei brevi 17 anni trascorsi tra le due osservazioni.
Xie ha concluso: “Insieme ad altri studi, questo ha suggerito che il disco di T Cha è alla fine della sua evoluzione”.
