Un'immagine di un disco protoplanetario, realizzato utilizzando i risultati del nuovo modello, dopo la formazione di una trappola di polvere spontanea, visibile come un anello di polvere brillante. Il gas è rappresentato in blu e la polvere in rosso. Credito:Jean-Francois Gonzalez
Si pensa che i pianeti si formino nei dischi di polvere e gas che si trovano intorno alle giovani stelle. Ma gli astronomi hanno faticato a mettere insieme una teoria completa della loro origine che spieghi come la polvere iniziale si sviluppi nei sistemi planetari. Una squadra franco-britannica-australiana ora pensa di avere la risposta, con le loro simulazioni che mostrano la formazione di "trappole di polvere" in cui i frammenti delle dimensioni di un sassolino si raccolgono e si attaccano insieme, per crescere negli elementi costitutivi dei pianeti. Pubblicano i loro risultati in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
Il nostro sistema solare, e altri sistemi planetari, iniziò la vita con dischi di gas e granelli di polvere attorno a una giovane stella. I processi che convertono questi minuscoli granelli, ciascuno di pochi milionesimi di metro (un micron) di diametro, in aggregati di pochi centimetri, e il meccanismo per trasformare 'planetesimi' chilometrici in nuclei planetari, sono entrambi ben compresi.
La fase intermedia, prendendo sassi e unendoli insieme in oggetti delle dimensioni di asteroidi, è meno chiaro, ma con più di 3, 500 pianeti già trovati intorno ad altre stelle, l'intero processo deve essere onnipresente.
Dottor Jean-Francois Gonzalez, del Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, in Francia, ha condotto il nuovo lavoro. Commenta:"Finora abbiamo faticato a spiegare come i sassi possono unirsi per formare pianeti, eppure ora abbiamo scoperto un numero enorme di pianeti in orbita attorno ad altre stelle. Questo ci ha fatto pensare a come risolvere questo mistero".
Ci sono due barriere principali che devono essere superate affinché i sassi diventino planetesimi. In primo luogo il trascinamento del gas sui granelli di polvere in un disco li fa andare rapidamente alla deriva verso la stella centrale, dove vengono distrutti, senza lasciare materiale per formare i pianeti. La seconda sfida è che i cereali in crescita possono essere rotti in collisioni ad alta velocità, suddividendoli in un gran numero di pezzi più piccoli e invertendo il processo di aggregazione.
Questa vignetta illustra le fasi del meccanismo di formazione delle trappole per la polvere. La stella centrale è raffigurata come gialla, circondato dal disco protoplanetario, qui mostrato in blu. I granelli di polvere costituiscono la fascia che attraversa il disco. Nella prima fase, i granelli di polvere cresciuti in grandezza, e muoviti verso l'interno verso la stella centrale. I grani più grandi, ora grandi come un sassolino (nel secondo pannello), si accumulano e rallentano, e nel terzo stadio il gas viene spinto verso l'esterno dalla reazione di ritorno, creando regioni in cui si accumula la polvere, le cosiddette trappole per la polvere. Le trappole permettono poi ai sassolini di aggregarsi per formare planetesimi, e infine mondi di dimensioni planetarie. Credito:© Volker Schurbert
Le uniche posizioni nei dischi che formano pianeti in cui questi problemi possono essere superati sono le cosiddette "trappole di polvere". In queste regioni ad alta pressione, il movimento della deriva rallenta, permettendo ai granuli di polvere di accumularsi. Con la loro velocità ridotta, i grani possono anche evitare la frammentazione quando entrano in collisione.
Fino ad ora, gli astronomi pensavano che le trappole di polvere potessero esistere solo in ambienti molto specifici, ma le simulazioni al computer eseguite dal team indicano che sono molto comuni. Il loro modello presta particolare attenzione al modo in cui la polvere in un disco si trascina sul componente gas. Nella maggior parte delle simulazioni astronomiche, il gas fa muovere la polvere, ma a volte, negli ambienti più polverosi, la polvere agisce più fortemente sul gas.
Questo effetto, nota come reazione di resistenza aerodinamica, è generalmente trascurabile, così fino ad ora è stato ignorato negli studi sulla crescita e la frammentazione dei cereali. Ma i suoi effetti diventano importanti in ambienti ricchi di polvere, come quelli trovati dove si stanno formando i pianeti.
L'effetto della controreazione è quello di rallentare la deriva verso l'interno dei grani, che dà loro il tempo di crescere di dimensioni. Una volta abbastanza grande, i grani sono padroni di se stessi, e il gas non può più governare il loro moto. Il gas, sotto l'influenza di questa reazione di ritorno, sarà spinto verso l'esterno e formerà una regione ad alta pressione:la trappola per la polvere. Queste trappole spontanee poi concentrano i grani provenienti dalle regioni esterne del disco, creando un anello molto denso di solidi, e dando una mano alla formazione dei pianeti.
Questa vignetta illustra le fasi del meccanismo di formazione delle trappole per la polvere. La stella centrale è raffigurata come gialla, circondato dal disco protoplanetario, qui mostrato in blu. I granelli di polvere costituiscono la fascia che attraversa il disco. Nella prima fase, i granelli di polvere cresciuti in grandezza, e muoviti verso l'interno verso la stella centrale. I grani più grandi ora grandi come un sasso (nel secondo pannello) si accumulano e rallentano, e nel terzo stadio il gas viene spinto verso l'esterno dalla reazione di ritorno, creando regioni in cui si accumula la polvere, le cosiddette trappole per la polvere. Le trappole permettono poi ai sassolini di aggregarsi per formare planetesimi, e infine mondi di dimensioni planetarie. Credito:(c) Volker Schurbert
Gonzalez conclude:"Siamo stati entusiasti di scoprire che, con gli ingredienti giusti sul posto, le trappole di polvere possono formarsi spontaneamente, in una vasta gamma di ambienti. Questa è una soluzione semplice e robusta a un problema di vecchia data nella formazione dei pianeti".
Osservatori come ALMA in Cile vedono già anelli luminosi e scuri nella formazione di sistemi planetari che si pensa siano trappole di polvere. Gonzalez e la sua squadra, e altri gruppi di ricerca in tutto il mondo, ora prevede di estendere il modello della trappola fino alla formazione di planetesimi.
