Nella ricerca teorica che potrebbe spiegare tutto, dalla formazione dei pianeti ai deflussi dalle stelle, anche alla sedimentazione delle ceneri vulcaniche, I ricercatori del Caltech hanno scoperto un nuovo meccanismo per spiegare come l'atto della polvere che si muove attraverso il gas porta a grumi di polvere. Mentre si sapeva già che gli ammassi di polvere avevano un ruolo nella semina di nuovi pianeti e molti altri sistemi nello spazio e sulla Terra, come si formassero i grumi era sconosciuto fino ad ora.
Phil Hopkins, professore di astrofisica teorica al Caltech, lavorando con Jonathan (Jono) Squire, un ex borsista post-dottorato al Caltech, ha iniziato a pensare ai disturbi alla polvere che si muovono attraverso il gas mentre studiava come le forti radiazioni di stelle e galassie guidano i venti carichi di polvere. Hopkins afferma che in precedenza si presumeva che la polvere fosse stabile nel gas, il che significa che i granelli di polvere cavalcherebbero insieme al gas senza che accada molto, o si depositerebbero dal gas se le particelle fossero abbastanza grandi, come nel caso della fuliggine di un incendio.
"Quello che io e Jono abbiamo scoperto è che la polvere e il gas che cercano di muoversi l'uno con l'altro sono instabili e fanno sì che i granelli di polvere si uniscano, " dice Hopkins. "Presto abbiamo cominciato a capire che queste instabilità gas-polvere sono in gioco ovunque nell'universo che una forza spinge la polvere attraverso il gas, se le forze sono venti stellari, gravità, magnetismo, o un campo elettrico." Le simulazioni del team mostrano materiale che vortica insieme, con grumi di polvere sempre più grandi.
"In realtà abbiamo iniziato a studiare i venti spinti dalla polvere nello spazio, ma mentre studiavamo il problema, abbiamo notato caratteristiche specifiche delle instabilità che ci hanno portato a pensare che questo fosse un fenomeno più generale, "dice Scudiero, che insieme a Hopkins ha scritto quattro articoli sulle loro nuove scoperte, uno accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal e tre al Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . "Da qui, è come una valanga, poiché siamo stati in grado di studiare molti sistemi diversi:galassie, stelle, formazione del pianeta, il gas vicino ai buchi neri supermassicci, supernove, eccetera, e confermare la nostra intuizione. Non è stato un momento eureka, ma una serie di eureka che è durata circa una settimana".
Forse le implicazioni più importanti per le nuove instabilità Hopkins-Squire sono per lo studio dei pianeti in crescita. I pianeti prendono forma all'interno di polvere, dischi "protoplanetari" rotanti di gas e polvere attorno a giovani stelle. In questi dischi, la polvere si fonde per formare ciottoli e massi sempre più grandi, poi pezzi grandi come una montagna, e infine pianeti completamente cresciuti.
Ad un certo punto durante questo processo, quando i pezzi di roccia sono abbastanza grandi, circa 1, 000 chilometri di diametro:la gravità prende il sopravvento e schiaccia le rocce montuose in un pianeta rotondo. Il grande mistero sta in ciò che accade prima che la gravità abbia effetto, cioè, cosa sta causando le particelle di polvere, ciottoli, e massi per unirsi? I ricercatori una volta pensavano che potessero restare uniti nello stesso modo in cui i coniglietti di polvere si accumulano sotto il tuo letto, ma ci sono problemi con quella teoria.
"Se metti insieme due sassi, non si attaccano. Si rimbalzano l'un l'altro, " dice Hopkins. "Per dimensioni comprese tra un millimetro e centinaia di chilometri, i grani non si attaccano. Questo è uno dei maggiori problemi nel modellare la formazione dei pianeti".
Nel modello di instabilità Hopkins-Squire, che si basa su modelli precedenti di interazione polvere-gas, la formazione di grumi di polvere planetaria inizierebbe con minuscoli granelli di polvere che si muovono attraverso il gas in orbita in un disco protoplanetario. Il gas si avvolgerebbe intorno a un granello come l'acqua di un fiume intorno a un masso; la stessa cosa sarebbe accaduta con un altro granello di polvere nelle vicinanze. Questi due flussi di gas potrebbero quindi interagire. Se ci sono molti granelli di polvere relativamente vicini l'uno all'altro, che è il caso della formazione dei pianeti, l'effetto netto dei numerosi flussi di gas risultanti sarebbe quello di incanalare la polvere in grumi.
"Nella nostra nuova teoria, questo attaccamento attraverso l'aggregazione può verificarsi per una gamma molto più ampia di granulometrie di quanto si pensasse in precedenza, consentendo ai grani più piccoli di partecipare al processo e crescere rapidamente di dimensioni, "dice Scudiero.
"Comprendere le origini del nostro sistema solare è uno dei problemi più importanti di tutte le scienze naturali, e la scoperta dell'instabilità Hopkins-Squire è un passo significativo verso il raggiungimento di tale comprensione. Questo è uno sviluppo entusiasmante, " dice Konstantin Batygin del Caltech, assistente professore di scienze planetarie e Van Nuys Page Scholar, che non è stato coinvolto nello studio.
Il team di ricerca afferma che queste instabilità potrebbero essere importanti anche in situazioni completamente diverse qui sulla Terra. Ad esempio, la cenere vulcanica o le gocce di pioggia interagiscono con la nostra atmosfera esattamente nello stesso modo in cui la polvere astrofisica interagisce con il gas circostante.
"È molto interessante esplorare come queste instabilità potrebbero operare in tutti questi diversi scenari, " dice Squire. "Non vediamo l'ora di comprendere instabilità completamente diverse in altre aree della fisica e della matematica applicata e, auspicabilmente, per trovare altri sistemi completamente nuovi e interessanti in cui ciò si verifica."
