Da un enorme disco di gas e polvere che ruota intorno al sole, la terra e gli altri sette pianeti del nostro sistema solare un tempo si sono sviluppati insieme alle loro lune. E lo stesso deve essere successo, gli scienziati credono, per le migliaia di pianeti extrasolari scoperti negli ultimi decenni. Per avere maggiori informazioni, gli astrofisici usano simulazioni al computer per studiare i processi in atto quando i pianeti si formano da tali dischi protoplanetari, come la crescita della massa di un pianeta e la formazione del suo campo magnetico. Fino a poco tempo fa, questi due processi, lo sviluppo del pianeta e la formazione del campo magnetico, sono stati campi di ricerca separati e simulati in modelli separati. Ma ora, Lucio Mayer, Professore di Astrofisica Computazionale presso l'Università di Zurigo e Project Manager presso il National Center of Competence in Research Planets, insieme ai suoi colleghi Hongping Deng, ex dottorato di ricerca studente di Mayer, e Henrik Quest'ultimo, Docente universitario presso l'Università di Cambridge, hanno combinato con successo per la prima volta entrambi i processi in un'unica simulazione. I risultati sono stati ora pubblicati nel Giornale Astrofisico .

Due modelli in uno

Gli astrofisici sono consapevoli che la cosiddetta instabilità gravitazionale (GI) in un massiccio, il disco rotante di materia gioca un ruolo decisivo nella formazione dei pianeti. Fa sì che le particelle si "aggregano insieme" in modo da formare strutture ad alta densità come i bracci a spirale. Da queste strutture ammassate, i pianeti avrebbero potuto accumularsi rapidamente, in un periodo di "solo" centinaia di migliaia di anni, o anche meno. Però, gli effetti del campo magnetico durante l'instabilità gravitazionale sono stati trascurati come punto di studio, fino ad ora. Con l'ausilio del supercomputer "Piz Daint" presso il Centro Nazionale Svizzero di Supercalcolo (CSCS) di Lugano, questi scienziati hanno ora simulato lo sviluppo del disco protoplanetario sia sotto l'influenza della gravità che in presenza di un campo magnetico, scoprendo così un meccanismo completamente nuovo che potrebbe spiegare osservazioni precedentemente inspiegabili.

Una di queste osservazioni inspiegabili è che i pianeti nel nostro sistema solare oggi ruotano molto più lentamente del disco protoplanetario da cui devono essere emersi una volta. Durante la formazione dei pianeti, così come di stelle e buchi neri, enormi quantità di momento angolare devono essere perse, ma come hanno perso questo slancio è rimasto poco chiaro. Questo cosiddetto problema del momento angolare è ben noto in astrofisica. "Il nostro nuovo meccanismo sembra essere in grado di risolvere e spiegare questo problema molto generale, "dice Mayer.

Realizzare un sogno scientifico

Combinare entrambi i processi in un'unica simulazione è stato il sogno di Mayer per molti anni. Però, i processi fisici sottostanti sono complessi, e la loro rappresentazione nelle simulazioni richiedeva codici sofisticati e un'elevata potenza di calcolo. Sebbene la realizzazione del sogno si avvicinasse sempre di più con il costante aumento della potenza di calcolo dei supercomputer, non c'era tempo per la descrizione matematico-fisica dei processi necessari per risolvere il problema. Però, grazie al supporto e alle competenze di Hongping Deng, che ha sviluppato un metodo adatto, il sogno ora potrebbe avverarsi. Il team ha sperimentato questa nuova tecnica numerica, sviluppato ulteriormente, e l'ha ottimizzato per sfruttare al meglio le prestazioni del "Piz Daint".

Nello specifico, i ricercatori hanno utilizzato e migliorato un cosiddetto metodo ibrido mesh-particella per calcolare il campo magnetico, fluidodinamica e gravità. In questo metodo la massa e la gravità esercitate vengono calcolate utilizzando particelle, ognuno dei quali rappresenta un pezzo del sistema. La pressione termica e l'effetto del campo magnetico sono calcolati con una sorta di maglia adattativa virtuale costruita dalle particelle, quale, secondo i ricercatori, consente un'elevata precisione.

Il metodo appena sviluppato ha portato a risultati sorprendenti sull'interazione tra GI e campo magnetico. È stato dimostrato che i bracci a spirale formati per gravità nel disco protoplanetario agiscono come una dinamo, allungando e rafforzando il seme magnetico. Di conseguenza, il campo magnetico cresce e acquista forza. Allo stesso tempo, questo processo genera molto più calore nel disco protoplanetario di quanto precedentemente ipotizzato. Più sorprendente per i ricercatori, però, Era il fatto che la dinamo sembra avere un'influenza significativa sul moto della materia. La dinamo lo spinge vigorosamente sia verso l'interno, crescere sulla stella, e verso l'esterno, lontano dal disco. Ciò significa che il disco si sta evolvendo molto più velocemente di quanto suggerito dalle teorie precedenti.

L'interazione aumenta l'accrescimento e genera venti

"La simulazione mostra che l'energia generata dall'interazione del campo magnetico in formazione con la gravità agisce verso l'esterno e spinge un vento che espelle la materia dal disco, " dice Mayer. Ciò causerebbe la perdita del 90% della massa in meno di un milione di anni. "Se questo è vero, questa sarebbe una previsione auspicabile, perché molti dei dischi protoplanetari studiati con telescopi che hanno un milione di anni hanno circa il 90% di massa in meno rispetto a quanto previsto finora dalle simulazioni di formazione dei dischi, " spiega l'astrofisico. In definitiva, il ritiro di energia porta la materia al collasso e alla perdita di rotazione. I ricercatori ora sperano di poter osservare i venti e l'espulsione della materia nelle prime fasi di vita dei dischi protoplanetari con telescopi estremamente potenti come l'ALMA in Cile o l'array di chilometri quadrati attualmente in costruzione.

I ricercatori ritengono che, attraverso il loro lavoro, hanno scoperto un meccanismo di frizione completamente nuovo, generato dall'interazione di campo magnetico e GI, che erode significativamente il momento angolare del disco. "Grazie al potente motore delle onde di densità a spirale, il nostro nuovo meccanismo di attrito sembra ancora più efficiente nelle regioni dense del disco protoplanetario in cui ci sono meno particelle cariche per sostenere il campo magnetico, " Dice Deng. "Questo è diverso da qualsiasi altro meccanismo proposto in precedenza, che non potrebbe sostenere il campo magnetico in tali regioni. "

Deng sta ora facendo ricerca presso l'Università di Cambridge come SNF Fellow. Il nuovo obiettivo è quello di corroborare i risultati della ricerca, ad esempio utilizzandoli, anche con altri gruppi di ricerca, per la simulazione di diverse strutture cosmiche, come i primi grandi buchi neri che si sono formati nell'universo agli albori della formazione delle galassie.