In uno studio apparso oggi su Giornale Astrofisico , un team di ricercatori a capo dell'INAF ha esplorato se le caratteristiche anomale nelle distribuzioni di polvere e gas del disco di HD 163296 rivelate dalle osservazioni di ALMA potrebbero derivare dall'interazione dei pianeti giganti con i planetesimi, un componente del disco precedentemente disperso.

I dischi circumstellari composti da gas e polvere che circondano le giovani stelle in formazione sono l'ambiente in cui nascono i pianeti. La loro polvere fornisce il materiale da costruzione da cui i pianeti iniziano la loro crescita e, come risultato della sua incorporazione nei corpi planetari, la sua abbondanza dovrebbe diminuire nel tempo. Fin dalle sue prime immagini dei luminosi anelli concentrici del disco circumstellare attorno a HL Tau, ALMA ha rivoluzionato la nostra visione dei dischi circumstellari rivelando la presenza diffusa di una serie di strutture su piccola scala (lacune, anelli e bracci a spirale) nel loro gas e polvere, la maggior parte di essi si credeva legata alla presenza di giovani pianeti e nascesse dall'interazione della loro gravità con l'ambiente circostante.

Tra i dischi più studiati osservati da ALMA c'è quello che circonda HD 163296, una stella di 5 milioni di anni fa circa il doppio della massa del sole. Il disco di HD 163296 è sia massiccio (poco meno di un decimo della massa del sole) che largo (circa 500 AU, il doppio del confine esterno della fascia di Kuiper nel sistema solare) ed è stato proposto di ospitare almeno tre pianeti con masse comprese tra il doppio di quella di Urano e quella di Giove. Le più recenti osservazioni di ALMA hanno permesso di caratterizzare spazialmente e compositivamente la struttura del disco di HD 163296 ad un livello mai sognato e hanno mostrato come la polvere sia ancora abbastanza abbondante (più di 300 volte la massa della Terra) in questo disco nonostante la sua età e abbia prodotto almeno tre pianeti giganti. Le stesse osservazioni hanno anche rivelato alcuni strani comportamenti della distribuzione spaziale della polvere che non potevano essere facilmente spiegati solo come risultato della sua interazione con il gas e i pianeti giganti appena formati.

Si prevede che la polvere migri verso l'interno dalle regioni esterne del disco a causa del suo accoppiamento e attrito con il gas, ma si prevede anche che venga fermato nella sua migrazione da enormi pianeti. Come risultato di questo flusso verso l'interno, la polvere dovrebbe scomparire nel tempo dalla regione immediatamente all'interno del pianeta più interno di HD 163296. Allo stesso tempo, la polvere proveniente dalle regioni esterne del disco dovrebbe accumularsi al di fuori delle orbite del secondo e del terzo pianeta. Le osservazioni di ALMA hanno invece rivelato che le regioni all'interno del primo pianeta e tra il primo e il secondo pianeta hanno alcune delle più alte concentrazioni di polvere dell'intero disco. In uno studio apparso oggi sul Giornale Astrofisico , un team di ricercatori ha esplorato se queste caratteristiche anomale potrebbero derivare dall'interazione dei pianeti giganti con un componente del disco precedentemente non considerato:i planetesimi.

"Dallo studio del sistema solare sappiamo che i dischi circumstellari maturi come HD 163296 non sono composti solo da gas e polvere, ma contengono anche una popolazione invisibile di piccoli oggetti planetari simili ai nostri asteroidi e comete" spiega Diego Turrini, autore principale dello studio e ricercatore presso l'Istituto di Astrofisica Spaziale e Scienze Planetarie (IAPS) dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). "Sappiamo anche che la comparsa di pianeti giganti influenza questi planetesimi provocando nella loro evoluzione orbitale un breve ma intenso picco di eccitazione dinamica che, mentre breve dal punto di vista della lunga vita di un sistema planetario, può avere una durata paragonabile alla vita dei dischi circumstellari, "dice Turrini.

Il team si è chiesto se queste interazioni tra i giovani pianeti giganti di HD 163296 e i planetesimi invisibili potessero produrre le anomalie osservate nella distribuzione della polvere. Le simulazioni eseguite hanno mostrato come, durante la crescita dei tre pianeti giganti, una frazione sempre maggiore della popolazione circostante di planetesimi viene iniettata su orbite molto eccentriche e molto inclinate simili a quelle delle comete del sistema solare. "Il risultato principale di questa eccitazione dinamica è un più alto tasso di collisioni violente tra i planetesimi, " spiega Francesco Marzari, professore all'Università di Padova e coautore dello studio.

Quando hanno analizzato il risultato delle simulazioni dinamiche attraverso un modello collisionale, il team ha scoperto che le collisioni tra i planetesimi rimangono abbastanza lievi fino a quando i pianeti giganti non si avvicinano alle loro masse finali, ma poi crescono rapidamente di cento volte in violenza e iniziano a macinare i planetesimi. "Queste violente collisioni ricostituiscono la popolazione di polvere nel disco, " dice Marzari "La nuova polvere prodotta da questo processo, però, ha una distribuzione orbitale diversa da quella originale ed è principalmente concentrata in due punti:la regione orbitale all'interno del primo pianeta gigante e l'anello tra il primo e il secondo pianeta gigante." Le stesse due regioni in cui le osservazioni di ALMA hanno rivelato le maggiori discrepanze con ciò che era teoricamente previsto.

Il team ha scoperto che l'eccitazione dinamica causata dalla comparsa dei tre pianeti giganti dovrebbe ancora agire fino ad oggi sui planetesimi incorporati nel disco di HD 163296. Gli autori hanno anche scoperto che la conseguente produzione di polvere per collisione prolungata è in grado di iniettare decine di masse terrestri di polvere in quelle due regioni orbitali, spiegare le osservazioni di ALMA anche da un punto di vista quantitativo. "Finora studiare questo tipo di processo mentre si verificava nei dischi circumstellari era possibile solo attraverso simulazioni, " dice Turrini. "Grazie ad ALMA ora potremmo essere in grado di studiarlo mentre accade e imparare molto sull'interazione tra la formazione planetaria e l'ambiente circostante".

"La velocità con cui ALMA sta fornendo dati nuovi e più dettagliati su HD 163296 ci ha permesso di espandere il nostro studio oltre il suo scopo originale, " spiega Danai Polychroni, coautore dello studio e all'epoca professore presso l'Universidad de Atacama e ricercatore a contratto presso INAF-IAPS. "Abbiamo notato che molti planetesimi sono eccitati a velocità supersoniche rispetto al gas circostante del disco e possono creare onde d'urto che possono riscaldare sia i planetesimi che il gas. Anche se non siamo ancora in grado di modellare questo processo in dettaglio, recenti osservazioni hanno riportato la presenza inaspettata di gas CO in regioni caratterizzate da temperature dove dovrebbe essere congelato solido e di possibili anomalie nella struttura termica del disco. Entrambi i risultati possono, in linea di principio, essere spiegato grazie alla presenza di questi planetesimi supersonici e alle onde d'urto che creano."

"Questo studio è stato avviato come un progetto esplorativo per esplorare se l'eccitazione dinamica causata dai pianeti giganti di nuova formazione potesse effettivamente produrre effetti osservabili. In quanto tale, abbiamo appena scalfito la superficie di questo processo e le sue implicazioni, "dice Leonardo Testi, anche co-autore dello studio e responsabile del Centro di Supporto ALMA dell'Osservatorio Europeo Australe e ricercatore INAF in congedo. "Tuttavia, la sua ricetta fisica è abbastanza semplice:pianeti massicci che si formano in un disco di planetesimi. Date le firme diffuse di possibili giovani pianeti giganti che stiamo scoprendo con ALMA e la durata estesa degli effetti dinamici causati dalla loro comparsa, potremmo cercare un processo abbastanza comune tra i dischi circumstellari".

"Il contesto del lavoro guidato da Diego Turrini è uno dei pilastri della sinergia GENESIS, " spiega Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Principal Investigator del progetto GENESIS-SKA, finanziato dall'INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) è un progetto nazionale dove oltre 60 ricercatori di 8 istituti INAF lavorano in stretta collaborazione con l'obiettivo generale di indagare le condizioni favorevoli alla nascita di sistemi planetari simili al nostro sistema solare ."

"I risultati del presente progetto, "aggiunge Codella, "sarà di estrema importanza anche per lo studio delle composizioni chimiche del gas localizzato nelle regioni dove si formeranno i pianeti, e, possibilmente, delle loro atmosfere».