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Le super-Terre del Sistema Solare primordiale

Istantanea del Sistema Solare primordiale del momento in cui Giove ha migrato verso l'interno, orbita in bianco; in turchese, le orbite eccentriche dei planetesimi che si sono sovrapposte alla parte imperturbabile del disco planetario (giallo).
Istantanea del Sistema Solare primordiale del momento in cui Giove ha migrato verso l'interno, orbita in bianco; in turchese, le orbite eccentriche dei planetesimi che si sono sovrapposte alla parte imperturbabile del disco planetario (giallo). Credit: K.Batygin/Caltech

Molto prima della nascita di Mercurio, di Venere, della Terra e di Marte, il Sistema Solare interno potrebbe aver ospitato un certo numero di super-Terre, pianeti più grandi della Terra ma più piccoli di Nettuno, andati poi distrutti miliardi di anni fa a causa di una doppia migrazione di Giove.

Questo possibile scenario è stato suggerito da Konstantin Batygin, uno scienziato planetario della Caltech e della Gregory Laughlin of UC Santa Cruz, in un articolo apparso il 23 marzo su un edizione del Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Jupiter’s decisive role in the inner Solar System’s early evolution [abstract]

The statistics of extrasolar planetary systems indicate that the default mode of planet formation generates planets with orbital periods shorter than 100 days and masses substantially exceeding that of the Earth. When viewed in this context, the Solar System is unusual. Here, we present simulations which show that a popular formation scenario for Jupiter and Saturn, in which Jupiter migrates inward from a > 5 astronomical units (AU) to a ≈ 1.5 AU before reversing direction, can explain the low overall mass of the Solar System’s terrestrial planets, as well as the absence of planets with a < 0.4 AU. Jupiter’s inward migration entrained s ≳ 10−100 km planetesimals into low-order mean motion resonances, shepherding and exciting their orbits. The resulting collisional cascade generated a planetesimal disk that, evolving under gas drag, would have driven any preexisting short-period planets into the Sun. In this scenario, the Solar System’s terrestrial planets formed from gas-starved mass-depleted debris that remained after the primary period of dynamical evolution.

I calcoli e le simulazioni dello studio suggeriscono una nuova immagine del Sistema Solare che potrebbe aiutare a rispondere ad una serie di questioni in sospeso, come la sua attuale composizione e quella della Terra stessa oppure, ad esempio, come mai i pianeti terrestri del nostro Sistema Solare hanno masse relativamente basse rispetto a quelli in orbita intorno a stelle simili al Sole.

"Il nostro lavoro suggerisce che la migrazione prima interna e poi esterna di Giove potrebbe aver distrutto una prima generazione di pianeti e posto le basi per la formazione dei pianeti terrestri, impoveriti di massa che il nostro Sistema Solare ha oggi", ha detto Batygin. "Tutto questo si adatta perfettamente con altri recenti sviluppi sulla comprensione dell'evoluzione del Sistema Solare ed, allo stesso tempo, riempie alcune lacune".

Grazie alle ultime osservazioni ed indagini sui pianeti extrasolari, sappiamo che circa la metà delle stelle simili al Sole, nel vicinato galattico, hanno pianeti in orbita. Eppure questi mondi, il più delle volte, non sembrano avere molto in comune con il nostro.
I sistemi hanno in genere uno o più pianeti, sostanzialmente più massicci della Terra, in orbita molto vicino ai loro soli, più di quanto non lo sia Mercurio al nostro.

"Sembra che il Sistema Solare di oggi non è il rappresentante comune del censimento planetario galattico", ha detto Batygin. "Ma non c'è ragione di pensare che il modo dominante con cui si sono formati i pianeti nella galassia, non sia avvenuto anche qui. E' più probabile che, cambiamenti successivi, abbiano modificato la sua composizione originale".

Secondo Batygin and Laughlin, il punto chiave sarebbe Giove.
Il modello del "Grand Tack", proposto per la prima volta nel 2001 da un gruppo di astrofisici della Queen Mary University e rivisitato nel 2011 da un team del Nice Observatory, prevede che durante i primi milioni di anni di vita del Sistema Solare, quando i corpi planetari erano ancora all'interno di un disco di gas e polveri intorno al giovane Sole, Giove sarebbe diventato così massiccio e gravitazionalmente influente da creare un gap, cioè un vuoto, all'interno del disco. Quando il Sole iniziò ad attrarre gas, anche Giove fu trascinato verso l'interno. Saturno, che si sarebbe formato dopo Giove, ne avrebbe seguito la stessa sorte ad una velocità maggiore, raggiungendolo. Il Sistema Solare, perciò, assunse una configurazione più compatta rispetto a quella attuale. Una volta che i due pianeti massicci si trovarono abbastanza vicini, i loro periodi orbitali si bloccarono in un rapporto di risonanza orbitale. Legati da una tale relazione, i due corpi avrebbero iniziato ad esercitare un'influenza gravitazionale uno sull'altro.

"La risonanza ha permesso ai due pianeti di aprire un varco reciproco nel disco ed è iniziato un gioco in cui i due hanno iniziato a scambiarsi momento angolare ed energia", ha detto Batygin, fino ad un'inversione della direzione di migrazione verso l'esterno.

In base ad un modello precedente, sviluppato da Bradley Hansen, i pianeti terrestri finirono nelle loro orbite attuali a seguito di un particolare insieme di circostanze, tra cui quella in cui tutti i mattoni primordiali (planetesimi) del Sistema Solare interno, occupavano un anello stretto da 0,7 a 1 Unità Astronomica (1 Unità Astronomica UA è la distanza media Terra-Sole), 10 milioni i anni dopo la formazione del Sole. Secondo lo scenario del Gran Tack, il bordo esterno di detto anello sarebbe stato delineato da Giove, mentre si muoveva verso il Sole, pulendo un vuoto nel disco fino alla corrente orbita terrestre.
Ma cosa accadde al bordo interno? E cosa limitava i planetesimi nella parte interna? "Questo punto non è stato affrontato", ha sottolineato Batygin ma le super-Terre primordiali potrebbero essere la risposta.

Il vuoto nel Sistema Solare interno corrisponde quasi esattamente allo spazio orbitale dove generalmente si trovano le super-Terre in altri sistemi planetari. E' quindi ragionevole ipotizzare che questa regione sia stata riservata ad una generazione di pianeti non sopravvissuti nel Sistema Solare primordiale.

I calcoli e le simulazioni di Batygin e Laughlin mostrano che Giove si muoveva verso l'interno, trascinando tutti i planetesimi incontrati lungo la strada, verso il Sole. Ma, come i planetesimi si trovarono più vicini alla nostra stella, le loro orbite diventarono più ellittiche: "non si può ridurre la dimensione di un'orbita senza pagare un prezzo", ha spiegato Batygin. Queste nuove orbite più allungate spinsero i planetesimi attraverso regioni precedentemente impenetrabili del disco, scatenando una cascata di collisioni. In realtà, i calcoli di Batygin mostrano che durante questo periodo, ogni planetesimo si sarebbe scontrato con un altro oggetto, almeno una volta ogni 200 anni, con molta violenza.

Una simulazione finale è stata utilizzata per mostrare cosa sarebbe successo ad un gruppo di super-Terre nel Sistema Solare interno mentre erano in corso queste collisioni a catena.
Per il modello è stato scelto il sistema extrasolare Kepler-11, che ha sei super-Terre in orbita intorno ad una stella simile al Sole, con una massa totale 40 volte superiore a quella della Terra.
Il risultato ha mostrato che le super-Terre sarebbero state spinte verso il Sole da una valanga di planetesimi nel corso di un periodo di 20.000 anni.

Batygin ha sottolineato che, quando Giove cambiò rotta, una parte dei planetesimi che trascinava con sé si sarebbero fermati in orbite circolari. Solo circa il 10 per cento del materiale travolto dal gigante sarebbe rimasto lungo la strada e sarebbe diventato la massa che oggi costituisce Mercurio, Venere, Terra e Marte.

A quel punto, questi planetesimi ci avrebbero impiegato milioni di anni per aggregarsi e formare i pianeti terrestri; uno scenario che si adatta alle stime secondo le quali la Terra si formò dai 100 ai 200 milioni di anni dopo la nascita del Sole. Dal momento in cui, dopo un tale periodo, anche i gas primordiali del disco, idrogeno ed elio, si erano dissipati, ciò spiegherebbe anche perché la Terra non ha una atmosfera di idrogeno. E ciò, è quello che ci contraddistingue da molti altri pianeti extrasolari.

Batygin si aspetta che la maggior parte degli esopianeti, che sono per lo più super-Terre, abbiano come segno distintivo atmosfere consistenti perché formati in un momento in cui il gas era ancora abbondante nel disco planetario: "in definitiva, ciò significa che i pianeti come la Terra non sono poi molto comuni", ha concluso.

Riferimenti:
- http://www.caltech.edu/news/new-research-suggests-solar-system-may-have-once-harbored-super-earths-46017

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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