L'ipotesi che il sistema solare abbia avuto origine da una gigantesca nube di gas e polvere fu lanciata per la prima volta nella seconda metà del XVIII secolo dal filosofo tedesco Immanuel Kant e ulteriormente sviluppata dal matematico francese Pierre-Simon de Laplace. Ora è un consenso tra gli astronomi. Grazie all'enorme quantità di dati osservativi, input teorici e risorse computazionali ora disponibili, è stato continuamente perfezionato, ma questo non è un processo lineare.

Né è senza polemiche. Fino a poco tempo fa, si pensava che il sistema solare avesse acquisito le sue attuali caratteristiche a seguito di un periodo di turbolenza verificatosi circa 700 milioni di anni dopo la sua formazione. Però, alcune delle ultime ricerche suggeriscono che abbia preso forma in un passato più remoto, ad un certo punto durante i primi 100 milioni di anni.

Uno studio condotto da tre ricercatori brasiliani offre solide prove di questa precedente strutturazione. Riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Icaro , lo studio è stato sostenuto dalla São Paulo Research Foundation—FAPESP. Gli autori sono tutti affiliati alla Scuola di Ingegneria dell'Università Statale di San Paolo (FEG-UNESP) a Guaratinguetá (Brasile).

L'autore principale è Rafael Ribeiro de Sousa. Gli altri due autori sono André Izidoro Ferreira da Costa ed Ernesto Vieira Neto, ricercatore principale per lo studio.

"La grande quantità di dati acquisiti dall'osservazione dettagliata del sistema solare ci consente di definire con precisione le traiettorie dei tanti corpi che orbitano attorno al sole, " ha detto Ribeiro. "Questa struttura orbitale ci permette di scrivere la storia della formazione del sistema solare. Emergendo dalla nuvola di gas e polvere che circondava il sole circa 4,6 miliardi di anni fa, i pianeti giganti si sono formati in orbite più vicine tra loro e anche più vicine al sole. Le orbite erano anche più complanari e più circolari di quanto non siano ora, e più interconnessi nei sistemi dinamici risonanti. Questi sistemi stabili sono il risultato più probabile della dinamica gravitazionale della formazione dei pianeti da dischi protoplanetari gassosi".

Izidoro ha offerto maggiori dettagli:"I quattro pianeti giganti:Giove, Saturno, Urano e Nettuno:emersero dal gas e dalla nube di polvere in orbite più compatte, " ha detto. "I loro moti erano fortemente sincroni a causa di catene risonanti, con Giove che completava tre rivoluzioni attorno al sole mentre Saturno ne completava due. Tutti i pianeti erano coinvolti in questa sincronicità prodotta dalla dinamica del disco di gas primordiale e dalla dinamica gravitazionale dei pianeti".

Però, in tutta la regione di formazione del sistema solare esterno, che comprende la zona situata oltre le attuali orbite di Urano e Nettuno, il sistema solare aveva una grande popolazione di planetesimi, piccoli corpi di roccia e ghiaccio considerati i mattoni dei pianeti e precursori degli asteroidi, comete e satelliti.

Il disco planetesimo esterno iniziò a disturbare l'equilibrio gravitazionale del sistema. Le risonanze sono state interrotte dopo la fase gassosa, e il sistema è entrato in un periodo di caos in cui i pianeti giganti hanno interagito violentemente e hanno espulso materia nello spazio.

"Plutone e i suoi gelidi vicini sono stati spinti nella fascia di Kuiper, dove si trovano ora, e l'intero gruppo di pianeti migrò verso orbite più distanti dal sole, " ha detto Ribeiro.

La fascia di Kuiper, la cui esistenza fu proposta nel 1951 dall'astronomo olandese Gerard Kuiper e successivamente confermata da osservazioni astronomiche, è una struttura toroidale (a forma di ciambella) composta da migliaia di piccoli corpi orbitanti attorno al sole.

La diversità delle loro orbite non si vede in nessun'altra parte del sistema solare. Il bordo interno della fascia di Kuiper inizia nell'orbita di Nettuno a circa 30 unità astronomiche (AU) dal sole. Il bordo esterno è a circa 50 AU dal sole. Un'AU è approssimativamente uguale alla distanza media dalla Terra al sole.

Tornando all'interruzione della sincronicità e all'inizio della fase caotica, la domanda è quando è successo, molto presto nella vita del sistema solare, quando aveva 100 milioni di anni o meno, o molto più tardi, probabilmente circa 700 milioni di anni dopo la formazione dei pianeti?

"Fino a poco tempo fa, predominava l'ipotesi di instabilità tardiva, " Ribeiro ha detto. "La datazione delle rocce lunari riportate dagli astronauti dell'Apollo ha suggerito che fossero state create da asteroidi e comete che si schiantavano contemporaneamente sulla superficie lunare. Questo cataclisma è noto come "Bombardamento tardivo e pesante" della luna. Se è successo sulla luna, presumibilmente è successo anche sulla Terra e sugli altri pianeti terrestri del sistema solare. Poiché una grande quantità di materia sotto forma di asteroidi e comete è stata proiettata in tutte le direzioni nel sistema solare durante il periodo di instabilità planetaria, è stato dedotto dalle rocce lunari che questo periodo caotico è avvenuto tardi, ma negli ultimi anni, l'idea di un "Bombardamento tardivo" della luna è caduta in disgrazia".

Secondo Ribeiro, se si fosse verificata la catastrofe caotica tardiva, avrebbe distrutto la Terra e gli altri pianeti terrestri, o almeno ha causato disturbi che li avrebbero posti in orbite totalmente diverse da quelle che osserviamo ora.

Per di più, si scoprì che le rocce lunari riportate dagli astronauti dell'Apollo erano state prodotte da un singolo impatto. Se avessero avuto origine nella tarda instabilità del pianeta gigante, ci sarebbero prove di diversi impatti, data la dispersione dei planetesimi da parte dei pianeti giganti.

"Il punto di partenza per il nostro studio era l'idea che l'instabilità dovesse essere datata dinamicamente. L'instabilità può essere avvenuta solo in seguito se ci fosse una distanza relativamente grande tra il bordo interno del disco dei planetesimi e l'orbita di Nettuno quando il gas si è esaurito. Questa distanza relativamente grande si è rivelata insostenibile nella nostra simulazione, " ha detto Ribeiro.

L'argomentazione si basa su una semplice premessa:minore è la distanza tra Nettuno e il disco planetesimo, maggiore è l'influenza gravitazionale, e quindi quanto prima il periodo di instabilità. Al contrario, l'instabilità successiva richiede una distanza maggiore.

"Quello che abbiamo fatto è stato scolpire per la prima volta il disco planetesimo primordiale. Per farlo, dovevamo risalire alla formazione dei giganti di ghiaccio Urano e Nettuno. Le simulazioni al computer basate su un modello costruito dal professor Izidoro [Ferreira da Costa] nel 2015 hanno mostrato che la formazione di Urano e Nettuno potrebbe aver avuto origine in embrioni planetari con diverse masse terrestri. Le massicce collisioni di queste super-Terre spiegherebbero, Per esempio, perché Urano gira su un fianco, "Ribeiro ha detto, riferendosi all'inclinazione di Urano, " con i poli nord e sud situati sui lati anziché in alto e in basso.

Precedenti studi avevano sottolineato l'importanza della distanza tra l'orbita di Nettuno e il confine interno del disco planetesimo, ma usarono un modello in cui i quattro pianeti giganti erano già formati.

"La novità di questo ultimo studio è che il modello non inizia con pianeti completamente formati. Invece, Urano e Nettuno sono ancora in fase di crescita, e il motore della crescita sono due o tre collisioni che coinvolgono oggetti con un massimo di cinque masse terrestri, " disse Izidoro.

"Immagina una situazione in cui si formano Giove e Saturno, ma abbiamo da cinque a dieci super-Terre invece di Urano e Nettuno. Le super-Terre sono costrette dal gas a sincronizzarsi con Giove e Saturno, ma essendo numerosi, la loro sincronicità fluttua, e finiscono per scontrarsi. Le collisioni riducono il loro numero, rendendo possibile la sincronicità. Infine, Rimangono Urano e Nettuno. Mentre i due giganti di ghiaccio si stavano formando nel gas, il disco planetesimo si stava consumando. Parte della questione è stata attribuita a Urano e Nettuno, e parte è stata spinta alla periferia del sistema solare. La crescita di Urano e Nettuno ha quindi definito la posizione del confine interno del disco planetesimo. Ciò che era rimasto del disco è ora la fascia di Kuiper. La fascia di Kuiper è fondamentalmente una reliquia del disco planetesimo primordiale, che una volta era molto più massiccio."

Il modello proposto è coerente con le attuali orbite dei pianeti giganti e con la struttura osservata nella fascia di Kuiper. È anche coerente con il moto dei Troiani, un grande gruppo di asteroidi che condividono l'orbita di Giove e sono stati presumibilmente catturati durante l'interruzione della sincronicità.

Secondo un articolo pubblicato da Izidoro nel 2017, Giove e Saturno erano ancora in formazione, con la loro crescita contribuendo allo spostamento della cintura di asteroidi. L'ultimo documento è una sorta di continuazione, partendo da uno stadio in cui Giove e Saturno erano completamente formati ma ancora sincronizzati, e descrivendo l'evoluzione del sistema solare da lì in poi.

"L'interazione gravitazionale tra i pianeti giganti e il disco planetesimo ha prodotto disturbi nel disco di gas che si sono diffusi sotto forma di onde. Le onde hanno prodotto sistemi planetari compatti e sincroni. Quando il gas si è esaurito, l'interazione tra i pianeti e il disco planetesimo ha interrotto la sincronicità e ha dato origine alla fase caotica. Tenendo conto di tutto ciò, abbiamo scoperto che semplicemente non esistevano le condizioni perché la distanza tra l'orbita di Nettuno e il confine interno del disco planetesimo diventasse abbastanza grande da sostenere l'ipotesi di instabilità tardiva. Questo è il contributo principale del nostro studio, che mostra che l'instabilità si è verificata nei primi 100 milioni di anni, e potrebbe essersi verificato, Per esempio, prima della formazione della Terra e della Luna, " ha detto Ribeiro.