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Dal caos di un giovane sistema stellare le risposte sulla nascita dei pianeti

Che i pianeti nascano dai dischi protoplanetari, l’insieme di gas e polveri che circondano le giovani stelle appena formate, è noto e condiviso dagli scienziati. Ma come questo processo avvenga esattamente è un mistero, o almeno lo era fino ad oggi.

Un team di scienziati che operano nell’ambito del network internazionale DUSTBUSTERS ha osservato che quando i dischi di formazione dei pianeti trasportano una grande frazione della massa di un sistema stellare aumenta l’instabilità gravitazionale, grazie alla quale vengono accelerate alcune prime fasi della nascita dei pianeti.

Questa scoperta nasce da due distinte pubblicazioni che potrebbero aver risolto altrettanti grandi problemi per l’astrofisica contemporanea sullo studio dei dischi protoplanetari: primo, l’impossibilità di misurare la massa contenuta all’interno di un disco, data la trasparenza con cui si presenta la sua componente fondamentale, l’idrogeno molecolare; secondo, la mancanza di prove osservative all’instabilità gravitazionale all’interno di un sistema stellare.

Il network internazionale DUSTBUSTERS è riuscito a risolvere entrambi i quesiti concentrando i suoi studi sul giovane sistema stellare Elias 2-27, situato a meno di 400 anni luce dalla Terra nella costellazione di Ofiuco, studiando i dati del radiotelescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) dell’European Southern Observatory.

Dal 2016, Elias 2-27 è costantemente all’attenzione degli astrofisici, a seguito della scoperta di un vortice polveroso intorno alla giovane stella, fenomeno prima di allora osservato solo attorno a una galassia. Il sistema stellare Elias 2-27 risulta per questo potenzialmente instabile e set privilegiato per la comprensione del processo di formazione dei pianeti giganti.

In un primo studio, Benedetta Veronesi, dottoranda dell’Università degli Studi di Milano, ha stimato per la prima volta la massa dei dischi protoplanetari utilizzando i dati sulla velocità del gas di Elias 2-27. Attraverso un confronto di modelli, ha osservato che le curve di rotazione di alcuni gas risultavano meglio descritte considerando non solo la gravità della stella, ma anche il piccolo campo gravitazionale prodotto dal disco.

Per la prima volta nel caso di un disco protoplanetario, Veronesi è riuscita a dare la misura della sua massa partendo dalla sua forza di gravità: il disco di Elias 2-27 è risultato il 17% della massa della stella, indice del suo essere soggetto a instabilità gravitazionali. Un risultato che ha da sùbito supportato, pur senza prove, l’ipotesi che i due bracci a spirale, caratteristici del sistema solare osservato, siano generati dall’instabilità gravitazionale.

«Il campo gravitazionale prodotto dalla massa del disco risulta essere di circa 100 volte la massa di Giove, e quindi ampiamente sufficiente per produrre pianeti» afferma l’astrofisica Benedetta Veronesi.

In un secondo studio sempre su Elias 2-27, Teresa Paneque, dottoranda presso lo European Southern Observatory, ha fornito le prime prove osservative di un sistema sottoposto a instabilità gravitazionale, potendo studiare la morfologia complicata di Elias 2-27 e tracciare le perturbazioni dinamiche all’interno del sistema stellare, attraverso l’analisi delle osservazioni ad altissima risoluzione spaziale e spettrale ottenute grazie ad ALMA.

«Il sistema stellare Elias 2-27 è altamente asimmetrico nella struttura del gas. Questo era completamente inaspettato, ed è la prima volta che abbiamo osservato una tale asimmetria verticale in un disco protoplanetario», afferma l’astrofisica Teresa Paneque.

Il network DUSTBUSTERS (Dust and gas in planet forming discs), coordinato dall’Università degli Studi di Milano e finanziato dal Programma quadro per la ricerca e l’innovazione, Horizon 2020, nasce con l’obiettivo di sviluppare e confrontare nuovi modelli teorici attraverso le osservazioni ad alta risoluzione ottenute grazie alla nuova generazione di telescopi, a cui appartiene il radiotelescopio ALMA, dislocato sull’altopiano di Chajnantor nelle Ande cilene e i cui dati sono stati utilizzati da entrambe le ricerche.

“E’ la prima volta che possiamo mostrare la prova cinematica e a più lunghezze d’onda di un sistema gravitazionalmente instabile. Elias 2-27 è il primo sistema a darci una tale osservazione” ha concluso Teresa Paneque.

Oltre a confermare le instabilità gravitazionali, gli scienziati hanno trovato così perturbazioni – o disturbi – nel sistema stellare oltre le aspettative teoriche. La conferma sia dell’asimmetria verticale che delle prime perturbazioni su larga scala legate alla struttura a spirale in un disco protoplanetario rappresentano le prove osservative dell’instabilità gravitazionale del sistema. Questa dimostrazione associata alla relativamente grande massa calcolata da Benedetta Veronesi costituiscono le basi della prima spiegazione provata di come nascono i pianeti in un disco protoplanetario.

“Questi risultati dimostrano come progetti collaborativi possano davvero portare ad un avanzamento della conoscenza” conclude così il professor Giuseppe Lodato, docente di Astrofisica dell’Università degli Studi di Milano e coordinatore del progetto DUSTBUSTERS.

Crediti immagine in evidenza:  ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/T. PANEQUE-CARREÑO (UNIVERSIDAD DE CHILE), B. SAXTON (NRAO)

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