Figura 1:(a sinistra) Immagine degli anelli di Saturno presa dalla sonda Cassini. Fornito dalla NASA http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06077). (a destra) Immagine degli anelli di Urano presa dal telescopio spaziale Hubble. Credito:NASA
Un team di ricercatori ha presentato un nuovo modello per l'origine degli anelli di Saturno basato sui risultati delle simulazioni al computer. I risultati delle simulazioni sono applicabili anche agli anelli di altri pianeti giganti e spiegano le differenze compositive tra gli anelli di Saturno e Urano. I risultati sono stati pubblicati il 6 ottobre nella versione online di Icaro .
L'autore principale del documento è HYODO Ryuki (Kobe University, Scuola di specializzazione in scienze), e coautori sono il professor Sébastien Charnoz (Institute de Physique du Globe/Université Paris Diderot), Professor OHTSUKI Keiji (Università di Kobe, Scuola di specializzazione in scienze), e Project Associate Professor GENDA Hidenori (Earth-Life Science Institute, Istituto di tecnologia di Tokyo).
I pianeti giganti del nostro sistema solare hanno anelli molto diversi. Le osservazioni mostrano che gli anelli di Saturno sono fatti di oltre il 95% di particelle ghiacciate, mentre gli anelli di Urano e Nettuno sono più scuri e possono avere un contenuto di roccia più elevato. Poiché gli anelli di Saturno furono osservati per la prima volta nel XVII secolo, l'indagine sugli anelli si è estesa dai telescopi terrestri ai veicoli spaziali come Voyager e Cassini. Però, l'origine degli anelli era ancora poco chiara ei meccanismi che portavano ai diversi sistemi di anelli erano sconosciuti.
Il presente studio si è concentrato sul periodo chiamato Bombardamento Late Heavy che si ritiene sia avvenuto 4 miliardi di anni fa nel nostro sistema solare, quando i pianeti giganti subirono la migrazione orbitale. Si pensa che diverse migliaia di oggetti delle dimensioni di Plutone (un quinto delle dimensioni della Terra) dalla fascia di Kuiper esistessero nel sistema solare esterno oltre Nettuno. In primo luogo i ricercatori hanno calcolato la probabilità che questi grandi oggetti siano passati abbastanza vicino ai pianeti giganti da essere distrutti dalla loro forza di marea durante il tardo pesante bombardamento. I risultati hanno mostrato che Saturno, Urano e Nettuno hanno avuto più volte incontri ravvicinati con questi grandi oggetti celesti.
Illustrazione schematica del processo di formazione dell'anello. Le linee tratteggiate mostrano la distanza alla quale la gravità dei pianeti giganti è abbastanza forte da provocare l'interruzione della marea. (a) Quando gli oggetti della fascia di Kuiper hanno incontri ravvicinati con pianeti giganti, vengono distrutti dalle forze di marea dei pianeti giganti. (b) Come risultato dell'interruzione della marea, alcuni frammenti vengono catturati nelle orbite attorno al pianeta. (c) Le collisioni ripetute tra i frammenti provocano la rottura dei frammenti catturati, la loro orbita diventa via via più circolare, e si formano gli anelli attuali (parziale alterazione della figura da Hyodo, Charnoz, Ohtsuki, Genda 2016, Icaro). Credito:Università di Kobe
Successivamente il gruppo ha utilizzato simulazioni al computer per indagare sulla distruzione di questi oggetti della fascia di Kuiper per forza di marea quando passavano nelle vicinanze dei pianeti giganti (vedi Figura 2a). I risultati delle simulazioni variavano a seconda delle condizioni iniziali, come la rotazione degli oggetti in transito e la loro distanza minima di avvicinamento al pianeta. Tuttavia hanno scoperto che in molti casi frammenti che comprendono lo 0,1-10% della massa iniziale degli oggetti in transito sono stati catturati in orbite attorno al pianeta (vedi Figure 2a, B). La massa combinata di questi frammenti catturati si è rivelata sufficiente per spiegare la massa degli attuali anelli attorno a Saturno e Urano. In altre parole, questi anelli planetari si sono formati quando oggetti sufficientemente grandi sono passati molto vicino ai giganti e sono stati distrutti.
I ricercatori hanno anche simulato l'evoluzione a lungo termine dei frammenti catturati utilizzando supercomputer presso l'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. Da queste simulazioni hanno scoperto che si prevede che i frammenti catturati con una dimensione iniziale di diversi chilometri subiscano ripetutamente collisioni ad alta velocità e vengano gradualmente frantumati in piccoli pezzi. Si prevede inoltre che tali collisioni tra frammenti circolizzino le loro orbite e portino alla formazione degli anelli osservati oggi (vedi Figure 2b, C).
Questo modello può anche spiegare la differenza compositiva tra gli anelli di Saturno e Urano. Rispetto a Saturno, Urano (e anche Nettuno) ha una densità maggiore (la densità media di Urano è 1,27 g cm-3, e 1,64 g cm-3 per Nettuno, mentre quello di Saturno è 0,69 g cm-3). Ciò significa che nei casi di Urano (e Nettuno), gli oggetti possono passare nelle immediate vicinanze del pianeta, dove sperimentano forze di marea estremamente forti. (Saturno ha una densità inferiore e un grande rapporto diametro-massa, quindi se gli oggetti passano molto vicino si scontreranno con il pianeta stesso). Di conseguenza, se gli oggetti della fascia di Kuiper hanno strutture stratificate come un nucleo roccioso con un mantello ghiacciato e passano nelle immediate vicinanze di Urano o Nettuno, oltre al manto ghiacciato, anche il nucleo roccioso sarà distrutto e catturato, formando anelli che includono la composizione rocciosa. Tuttavia se passano da Saturno, solo il manto gelido sarà distrutto, formando anelli di ghiaccio. Questo spiega le diverse composizioni degli anelli.
Questi risultati illustrano che gli anelli dei pianeti giganti sono sottoprodotti naturali del processo di formazione dei pianeti nel nostro sistema solare. Ciò implica che i pianeti giganti scoperti intorno ad altre stelle probabilmente hanno anelli formati da un processo simile. Recentemente è stata segnalata la scoperta di un sistema ad anello attorno a un esopianeta, e ulteriori scoperte di anelli e satelliti attorno agli esopianeti faranno progredire la nostra comprensione della loro origine.
