Simulazioni numeriche da parte di un gruppo di astronomi, guidato da Mario Flock del Max Planck Institute for Astronomy, hanno dimostrato che i giovani sistemi planetari sono naturalmente "a prova di bambino":i meccanismi fisici si combinano per impedire ai giovani pianeti nelle regioni interne di precipitare fatalmente nella stella. Processi simili consentono anche ai pianeti di nascere vicino alle stelle, da ciottoli intrappolati in una regione vicina alla stella. La ricerca, che è stato pubblicato sulla rivista Astronomia e astrofisica , spiega le scoperte dei telescopi spaziali Kepler che mostrano un gran numero di super-Terre in orbita molto ravvicinata alle loro stelle, ai margini della regione a prova di bambino.

Quando nasce un bambino, i genitori si assicureranno che la loro casa sia a prova di bambino, predisporre barriere di sicurezza che tengano il bambino lontano da zone particolarmente pericolose. Nuove ricerche sulla formazione dei pianeti mostrano che qualcosa di molto simile accade nei giovani sistemi planetari.

I pianeti si formano intorno a una giovane stella, che è circondato da un disco di gas e polvere. All'interno di questo disco protoplanetario, i grani di polvere si attaccano insieme, crescendo sempre più grande. Dopo qualche milione di anni, hanno raggiunto alcuni chilometri di diametro. A quel punto, la gravità è abbastanza forte da unire tali oggetti per formare pianeti, oggetti rotondi, solido o con un nucleo solido, con diametri di qualche migliaio di chilometri o più.

Un curioso affollamento al confine interno

Proprio come i bambini piccoli, gli oggetti solidi in un sistema planetario così giovane tendono a muoversi in tutte le direzioni, non solo orbitando intorno alla stella, ma alla deriva verso l'interno o verso l'esterno. Questo può diventare potenzialmente fatale per i pianeti che sono già relativamente vicini alla stella centrale.

Vicino alla stella, incontreremo solo pianeti rocciosi, con superfici solide, simile alla nostra Terra. I nuclei planetari possono solo catturare e trattenere quantità significative di gas per diventare giganti gassosi molto più lontano, lontano dalla stella calda. Ma il tipo più semplice di calcolo per il moto di un pianeta vicino alla stella, nel gas di un disco protoplanetario, mostra che un tale pianeta dovrebbe continuamente spostarsi verso l'interno, precipitando nella stella su una scala temporale inferiore a un milione di anni, molto più breve della durata del disco.

Se questo fosse l'intero quadro, sarebbe sconcertante che il satellite Kepler della NASA, esaminando stelle simili al sole (tipi spettrali F, G e K), trovato qualcosa di completamente diverso:numerose stelle hanno le cosiddette super-Terre orbitanti molto vicine, pianeti rocciosi più massicci della nostra Terra. Particolarmente comuni sono i pianeti con periodi intorno ai 12 giorni, scendendo a periodi fino a 10 giorni. Per il nostro sole, che corrisponderebbe a raggi orbitali intorno a 0,1 unità astronomiche, solo circa un quarto del raggio orbitale di Mercurio, il pianeta più vicino al nostro sole nel nostro sistema solare.

Questo era il puzzle che Mario Flock, un leader del gruppo presso il Max Planck Institute for Astronomy, deciso a risolvere, insieme ai colleghi del Jet Propulsion Laboratory, l'Università di Chicago e la Queen Mary University, Londra. I ricercatori coinvolti sono esperti nella simulazione del complesso ambiente in cui nascono i pianeti, modellare i flussi e le interazioni del gas, polvere, campi magnetici, e dei pianeti e dei loro vari stadi precursori. Di fronte all'apparente paradosso delle super-Terre Keplero in orbita stretta, si sono proposti di simulare in dettaglio la formazione di pianeti vicino a stelle simili al sole.

A prova di bambino su scala solare

I loro risultati sono stati inequivocabili, e suggeriscono due possibili ragioni alla base della presenza comune di pianeti in orbita ravvicinata. Il primo è che, almeno per pianeti rocciosi con masse fino a 10 volte la massa della Terra ("super-Terre" o "Mini-Nettuno"), quei primi sistemi stellari sono a prova di bambino.

La barriera di sicurezza che tiene i giovani pianeti fuori dalla zona di pericolo funziona come segue. Più ci avviciniamo alla stella, quanto più intensa è la radiazione della stella. Confine interno chiamato fronte di sublimazione dei silicati, la temperatura del disco sale sopra i 1200 K, e le particelle di polvere (silicati) si trasformeranno in gas. Il gas estremamente caldo all'interno di quella regione diventa molto turbolento. Questa turbolenza trasporta il gas verso la stella ad alta velocità, assottigliando la regione interna del disco nel processo.

Mentre una giovane super-Terra viaggia attraverso il gas, è tipicamente accompagnato da gas co-rotante con il pianeta su un percorso orbitale simile a un ferro di cavallo. Mentre il pianeta si sposta verso l'interno e raggiunge il fronte di sublimazione dei silicati, le particelle di gas che si spostano dal gas caldo più sottile al gas più denso al di fuori del confine danno al pianeta un piccolo calcio. In questa situazione, il gas eserciterà un'influenza (in termini fisici:una coppia) sul pianeta in viaggio, e, soprattutto, a causa del salto di densità, quell'influenza allontanerà il pianeta dal confine, radialmente verso l'esterno. In questo modo, il confine funge da barriera di sicurezza, impedendo ai giovani pianeti di precipitare nella stella. E la posizione del confine per una stella simile al sole, come previsto dalla simulazione, corrisponde al limite inferiore per i periodi orbitali trovato da Keplero. Come dice Mario Flock:"Perché ci sono così tante super-Terre in orbita stretta, come ci ha mostrato Keplero? Perché i giovani sistemi planetari hanno una barriera a prova di bambino incorporata."

Planet-building al confine

Esiste una possibilità alternativa:nel tracciare il movimento di un sassolino, oggetti più piccoli di pochi millimetri o centimetri, i ricercatori hanno scoperto che tali ciottoli tendono a raccogliersi dietro il fronte di sublimazione dei silicati. Affinché la pressione si riequilibri direttamente al confine, il gas sottile nella regione di transizione deve ruotare più velocemente del solito (poiché deve esserci un equilibrio tra pressione e forza centrifuga). Questa rotazione del gas è più veloce della velocità orbitale "kepleriana" di una particella isolata che orbita da sola intorno alla stella. Un sassolino che entra in questa regione di transizione è costretto a questo movimento più veloce di Kepleriano, ed immediatamente espulso di nuovo quando le corrispondenti forze centrifughe lo spingono verso l'esterno, come un bambino che scivola dalla piattaforma di una giostra. Questo, contribuisce anche alla frequenza delle super-Terre orbitanti vicine. Non solo le super-Terre precedentemente formate si raccolgono in una barriera a prova di bambino. Il fatto che i ciottoli si raccolgano anche in quella barriera fornisce le condizioni ideali per la nuova formazione della super-Terra in quella posizione.

I risultati non sono stati una sorpresa completa per i ricercatori. Infatti, avevano trovato una simile trappola per sassi in modelli di stelle molto più pesanti ("stelle Herbig"), sebbene a una distanza molto maggiore dalla stella. I nuovi risultati estendono questo a stelle simili al sole, e aggiungono il meccanismo a prova di bambino per i pianeti appena nati. Per di più, il nuovo articolo è il primo che fornisce un confronto con i dati statistici del telescopio spaziale Kepler, tenendo attentamente conto del fatto che Keplero sarà in grado di vedere solo alcuni tipi di sistemi (in particolare dove vediamo il piano orbitale quasi di taglio).

E il nostro sistema solare?

interessante, con questi criteri, il nostro sistema solare potrebbe anche aver ospitato un pianeta simile alla terra più vicino al sole rispetto all'attuale pianeta più interno, Mercurio. Il fatto che non esista un pianeta del genere è un caso statistico, o un tale pianeta esisteva ed è stato espulso dal sistema solare in qualche momento? Questa è una domanda interessante per ulteriori ricerche. Come dice Mario Flock:"Non solo il nostro sistema solare era a prova di bambino, è possibile che il bambino così protetto da allora abbia 'volato il nido'".