I giovani pianeti giganti nascono da gas e polvere. I ricercatori dell'ETH di Zurigo e delle università di Zurigo e Berna hanno simulato diversi scenari basandosi sulla potenza di calcolo del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) per scoprire come si formano ed evolvono esattamente. Hanno confrontato i loro risultati con le osservazioni e sono stati in grado di mostrare, tra l'altro, una grande differenza tra i meccanismi di formazione postulati.

Gli astronomi hanno messo a punto due teorie che spiegano come potrebbero nascere pianeti giganti gassosi come Giove o Saturno. Un meccanismo di formazione dal basso verso l'alto afferma che in primo luogo, un nucleo solido è aggregato di circa dieci volte la dimensione della Terra. "Quindi, questo nucleo è abbastanza massiccio da attirare una quantità significativa di gas e mantenerlo, " spiega Judit Szulágyi, borsista post-dottorato presso l'ETH di Zurigo e membro del Swiss NCCR PlanetS. La seconda teoria è uno scenario di formazione top-down:qui il disco gassoso attorno alla giovane stella è così massiccio, che a causa dell'autogravità del gas-polvere, i bracci a spirale si stanno formando con dei grumi all'interno. Quindi, questi gruppi collassano per la loro stessa gravità direttamente in un pianeta gassoso, simile a come si formano le stelle. Il primo meccanismo è chiamato "core-accretion, " la seconda "instabilità del disco". In entrambi i casi, si forma un disco intorno ai giganti gassosi, detto disco circumplanetario, che servirà da nido per la formazione dei satelliti.

Per scoprire quale meccanismo ha effettivamente luogo nell'Universo, Judit Szulágyi e Lucio Mayer, Professore all'Università di Zurigo, simulato gli scenari sul supercomputer Piz Daint presso il Centro Nazionale Svizzero di Supercalcolo (CSCS) di Lugano. "Abbiamo spinto le nostre simulazioni al limite in termini di complessità della fisica aggiunta ai modelli, " spiega Judit Szulágyi:"E abbiamo ottenuto una risoluzione più alta di chiunque altro."

Nei loro studi pubblicati nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , i ricercatori hanno trovato una grande differenza tra i due meccanismi di formazione:nello scenario di instabilità del disco, il gas nelle vicinanze del pianeta è rimasto molto freddo, circa 50 Kelvin, mentre nel caso di accrescimento del nucleo il disco circumplanetario è stato riscaldato a diverse centinaia di Kelvin. "Le simulazioni di instabilità del disco sono le prime in grado di risolvere il disco circumplanetario attorno a più protopianeti, utilizzando decine di milioni di elementi di risoluzione nel dominio computazionale. Abbiamo sfruttato Piz Daint per accelerare i calcoli utilizzando unità di elaborazione grafica (GPU), "aggiunge Mayer.

Questa enorme differenza di temperatura è facilmente osservabile. "Quando gli astronomi esaminano i nuovi sistemi planetari in formazione, la sola misurazione delle temperature nelle vicinanze del pianeta sarà sufficiente per dire quale meccanismo di formazione ha costruito il dato pianeta, " spiega Judit Szulágyi. Un primo confronto dei dati calcolati e osservati sembra favorire la teoria dell'accrescimento del nucleo. Un'altra differenza che ci si aspettava non si è manifestata nella simulazione al computer. Prima, l'astrofisica pensava che il disco circumplanetario differisse significativamente in massa nei due scenari di formazione. "Abbiamo dimostrato che questo non è vero, " dice il membro di PlanetS.

Scossa luminosa anteriore rilevata

Per quanto riguarda le dimensioni del pianeta appena nato, osservazioni possono essere fuorvianti come l'astrofisico trovato in un secondo studio insieme a Christoph Mordasini, Professore all'Università di Berna. Nel modello di accrescimento del nucleo i ricercatori hanno esaminato più da vicino il disco attorno ai pianeti con masse da tre a dieci volte più grandi di quelle di Giove. Le simulazioni al computer hanno mostrato che il gas che cade sul disco dall'esterno si riscalda e crea un fronte d'urto molto luminoso sullo strato superiore del disco. Ciò altera significativamente l'aspetto osservativo dei giovani, formare pianeti.

"Quando vediamo un punto luminoso all'interno di un disco circumplanetario, non possiamo essere sicuri di vedere la luminosità del pianeta, o anche la luminosità del disco circostante, " dice Judit Szulágyi. Questo può portare a una sovrastima della massa del pianeta fino a quattro volte. "Quindi forse un pianeta osservato ha solo la stessa massa di Saturno invece di alcune masse di Giove, "conclude lo scienziato.

Nelle loro simulazioni, gli astrofisici imitavano i processi di formazione utilizzando le leggi fisiche di base come la gravità o le equazioni idrodinamiche del gas. A causa della complessità dei modelli fisici, le simulazioni richiedevano molto tempo, anche sul supercomputer più veloce d'Europa al CSCS:"Durata dell'ordine di nove mesi su centinaia o diverse migliaia di core di calcolo" stima Judit Szulágyi:"Ciò significa che su un core di calcolo ci sarebbe voluto più tempo della mia intera vita".

Eppure ci sono ancora sfide da affrontare. Le simulazioni di instabilità del disco non coprono ancora un lungo lasso di tempo. È possibile che dopo che il protopianeta è collassato alla densità di Giove, il suo disco si riscalderà più come nell'accrescimento del nucleo. Allo stesso modo, il gas più caldo trovato nel caso di accrescimento del nucleo sarebbe parzialmente ionizzato, un ambiente favorevole agli effetti dei campi magnetici, finora completamente trascurato. Il prossimo passo sarà eseguire simulazioni ancora più costose con una descrizione più ricca della fisica.