Un nuovo modello che dà origine a giovani sistemi planetari offre una nuova soluzione a un enigma che ha irritato gli astronomi da quando le nuove tecnologie di rilevamento e le missioni di caccia ai pianeti come il telescopio spaziale Kepler della NASA hanno rivelato migliaia di pianeti in orbita attorno ad altre stelle:mentre la maggior parte di questi gli esopianeti rientrano in una categoria chiamata super-Terre - corpi con una massa da qualche parte tra la Terra e Nettuno - si pensava che la maggior parte delle caratteristiche osservate nei sistemi planetari nascenti richiedessero pianeti molto più massicci, rivaleggiando o sminuendo Giove, il gigante gassoso del nostro sistema solare.

In altre parole, le caratteristiche osservate di molti sistemi planetari nelle loro prime fasi di formazione non sembravano corrispondere al tipo di esopianeti che costituiscono la maggior parte della popolazione planetaria nella nostra galassia.

"Proponiamo uno scenario che in precedenza era ritenuto impossibile:come una super-Terra può ritagliarsi più lacune nei dischi, "dice Ruobing Dong, il borsista postdottorato Bart J. Bok presso lo Steward Observatory dell'Università dell'Arizona e autore principale dello studio, presto in pubblicazione su Giornale Astrofisico . "Per la prima volta, possiamo riconciliare le misteriose caratteristiche del disco che osserviamo e la popolazione dei pianeti che si trovano più comunemente nella nostra galassia."

Come si formano esattamente i pianeti è ancora una questione aperta con una serie di problemi in sospeso, secondo Dong.

"Kepler ha trovato migliaia di pianeti, ma quelli sono tutti molto vecchi, orbitando attorno a stelle di qualche miliardo di anni, come il nostro sole, " spiega. "Si potrebbe dire che stiamo guardando gli anziani della nostra galassia, ma non sappiamo come siano nati".

Per trovare risposte, gli astronomi si rivolgono ai luoghi in cui si stanno attualmente formando nuovi pianeti:dischi protoplanetari, in un certo senso, sorelline del nostro sistema solare.

Tali dischi si formano quando una vasta nube di gas interstellare e polvere si condensa sotto l'effetto della gravità prima di collassare in un disco vorticoso. Al centro del disco protoplanetario brilla una giovane stella, solo pochi milioni di anni. Quando le particelle di polvere microscopiche si fondono in grani di sabbia, e i granelli di sabbia si uniscono per formare sassi, e i sassi si accumulano per diventare asteroidi e infine pianeti, nasce un sistema planetario molto simile al nostro sistema solare.

"Questi dischi hanno vita molto breve, "Spiega Dong. "Nel tempo il materiale si dissipa, ma non sappiamo esattamente come ciò accada. Quello che sappiamo è che vediamo dischi intorno a stelle che hanno 1 milione di anni, ma non li vediamo intorno a stelle che hanno 10 milioni di anni".

Nello scenario più probabile, gran parte del materiale del disco si accumula sulla stella, parte viene spazzata via dalla radiazione stellare e il resto va a formare pianeti.

Sebbene i dischi protoplanetari siano stati osservati in relativa vicinanza alla Terra, è ancora estremamente difficile distinguere i pianeti che potrebbero formarsi all'interno. Piuttosto, i ricercatori hanno fatto affidamento su caratteristiche come spazi vuoti e anelli per dedurre la presenza di pianeti.

"Tra le spiegazioni per questi anelli e lacune, quelli che coinvolgono i pianeti sono sicuramente i più emozionanti e attirano maggiormente l'attenzione, " dice il co-autore Shengtai Li, un ricercatore presso il Los Alamos National Laboratory di Los Alamos, Nuovo Messico. "Mentre il pianeta orbita intorno alla stella, l'argomento va, può aprire un percorso lungo la sua orbita, con conseguente divario che vediamo."

Tranne che la realtà è un po' più complicata, come evidenziato da due delle più importanti osservazioni di dischi protoplanetari, che sono stati realizzati con ALMA, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Cile. ALMA è un assemblaggio di antenne radio tra 7 e 12 metri di diametro e ne conta 66 una volta completato. Le immagini di HL Tau e TW Hydra, ottenuto nel 2014 e 2016, rispettivamente, hanno rivelato i dettagli più fini finora in qualsiasi disco protoplanetario, e mostrano alcune caratteristiche che sono difficili, se non impossibile, spiegare con gli attuali modelli di formazione planetaria, dice Dong.

"Tra le lacune in HL Tau e TW Hya rivelate da ALMA, due coppie sono estremamente strette e molto vicine tra loro, " spiega. "Nella teoria convenzionale, è difficile per un pianeta aprire tali lacune in un disco. Non possono mai essere così stretti e così vicini l'uno all'altro per ragioni fisiche".

Nel caso di HL Tau e TW Hya, si dovrebbero invocare due pianeti le cui orbite si abbracciano molto strettamente, uno scenario che non sarebbe stabile nel tempo e quindi improbabile.

Mentre i modelli precedenti potevano spiegare grandi, singoli vuoti ritenuti indicativi di pianeti che eliminano detriti e polvere sul loro cammino, non sono riusciti a spiegare le caratteristiche più complesse rivelate dalle osservazioni di ALMA.

Il modello creato da Dong e dai suoi coautori si traduce in quelle che il team chiama osservazioni sintetiche, simulazioni che assomigliano esattamente a ciò che ALMA vedrebbe nel cielo. Il team di Dong ha raggiunto questo obiettivo modificando i parametri che entrano nella simulazione del disco protoplanetario in evoluzione, come assumere una bassa viscosità e aggiungere la polvere all'impasto. La maggior parte delle simulazioni precedenti si basava su una maggiore viscosità del disco e teneva conto solo della componente gassosa del disco.

"La viscosità nei dischi protoplanetari può essere determinata dalla turbolenza e da altri effetti fisici, " Dice Li. "È una quantità un po' misteriosa - sappiamo che è lì, ma non sappiamo la sua origine o quanto sia grande il suo valore, quindi pensiamo che le nostre ipotesi siano ragionevoli, considerando che risultano nel modello che è stato effettivamente osservato nel cielo."

Ancora più importante, le osservazioni sintetiche sono emerse dalle simulazioni senza la necessità di invocare giganti gassosi delle dimensioni di Giove o superiori.

"Una super-Terra si è rivelata sufficiente per creare gli anelli multipli e multipli, spazi ristretti che vediamo nelle osservazioni effettive, " dice Dong.

Poiché la ricerca futura scopre più dei meccanismi interni dei dischi protoplanetari, Dong e il suo team perfezioneranno le loro simulazioni con nuovi dati. Per adesso, le loro osservazioni sintetiche offrono uno scenario intrigante che fornisce un collegamento mancante tra le caratteristiche osservate in molti neonati planetari e le loro controparti adulte.

Lo studio, "Più spazi e anelli del disco generati da una singola super-Terra, " di Ruobing Dong, Shentai Li, Eugene Chiang e Hui Li, sarà pubblicato il 13 luglio nel Giornale Astrofisico .