Un gruppo internazionale di astronomi, guidato da Martin Schlecker del Max Planck Institute for Astronomy, ha scoperto che la disposizione delle rocce, pianeti gassosi e ghiacciati nei sistemi planetari non è apparentemente casuale e dipende solo da alcune condizioni iniziali. Lo studio, che apparirà sulla rivista scientifica Astronomia e astrofisica , si basa su una nuova simulazione che traccia l'evoluzione dei sistemi planetari nell'arco di diversi miliardi di anni. Sistemi planetari intorno a stelle simili al sole, che producono nelle loro regioni interne super-Terre a basso contenuto di acqua e gas, molto spesso formano un pianeta paragonabile al nostro Giove su un'orbita esterna. Tali pianeti aiutano a tenere gli oggetti potenzialmente pericolosi lontani dalle regioni interne.

Gli scienziati sospettano che il pianeta Giove abbia avuto un ruolo importante nello sviluppo della vita sulla Terra, perché la sua gravità spesso devia asteroidi e comete potenzialmente pericolosi sulle loro orbite nella zona dei pianeti rocciosi in un modo che riduce il numero di collisioni catastrofiche. Questa circostanza solleva quindi ripetutamente la questione se una tale combinazione di pianeti sia piuttosto casuale, o se è un risultato comune della formazione di sistemi planetari.

Super-Terre Secche e Giove Freddi

Scienziati del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, l'Università di Berna e l'Università dell'Arizona hanno ora trovato una forte evidenza che pianeti rocciosi simili alla Terra si verificano spesso in modo cospicuo insieme a un pianeta simile a Giove che si trova in un'ampia orbita.

"Chiamiamo questi giganti gassosi Giove freddi. Crescono a una distanza dalla stella centrale, dove l'acqua esiste sotto forma di ghiaccio, " spiega Martin Schlecker, uno studente di dottorato presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, che ha condotto lo studio. I pianeti simili alla Terra studiati sono le cosiddette super-Terre secche, cioè., pianeti rocciosi più grandi e massicci della Terra, che hanno solo un'atmosfera sottile e quasi senza acqua o ghiaccio. Popolano l'interno, cioè., zona temperata dei sistemi planetari e sono molto simili alla Terra tranne che per le loro dimensioni. "Anche, la Terra è, nonostante gli enormi oceani e le regioni polari, con una frazione di volume per l'acqua di solo lo 0,12% complessivamente un pianeta arido, " precisa Schlecker.

Trovare un Giove freddo insieme a una super-Terra ricca di ghiaccio nella regione interna è quindi quasi impossibile. Per di più, denso, involucri di gas estesi si trovano principalmente in enormi super-Terre.

Le simulazioni forniscono approfondimenti sui processi difficili da misurare

Queste conclusioni si basano su una valutazione statistica di nuove simulazioni di 1000 sistemi planetari che si stanno evolvendo in un disco protoplanetario attorno a una stella simile al sole. Queste simulazioni sono l'ultimo risultato di una collaborazione di lunga data tra l'Università di Berna e MPIA per studiare le origini dei pianeti da una prospettiva teorica. Partendo da condizioni iniziali casuali, per esempio., per le masse di gas e materia solida, la dimensione del disco e le posizioni delle cellule seme di nuovi pianeti, gli scienziati hanno monitorato il ciclo di vita di questi sistemi per diversi miliardi di anni. "Durante le simulazioni, il materiale raccolto dagli embrioni planetari, è cresciuto in pianeti, cambiato le loro orbite, sono entrati in collisione o sono stati espulsi dal sistema, " Christoph Mordasini dell'Università di Berna e coautore del documento di ricerca descrive i processi simulati. I sistemi planetari simulati alla fine avevano pianeti di dimensioni diverse, masse e composizioni su orbite diverse attorno alla stella centrale.

Hubert Klahr, capo del gruppo di lavoro sulla teoria della formazione dei pianeti presso MPIA, spiega:"Tali simulazioni supportano l'indagine sui sistemi esoplanetari, poiché pianeti come i freddi Giove richiedono molto tempo per orbitare attorno alla loro stella madre sulle loro ampie orbite." Questo rende difficile trovarli attraverso l'osservazione, quindi la ricerca di esopianeti non riflette realisticamente l'effettiva composizione dei sistemi planetari. È più probabile che gli astronomi trovino pianeti di grande massa in orbite ravvicinate attorno a stelle di piccola massa. "Simulazioni, d'altra parte, sono in linea di principio indipendenti da tali limitazioni, "aggiunge Klahr.

Osservazioni e simulazioni non corrispondono

"Volevamo verificare una scoperta sorprendente a seguito delle osservazioni fatte negli ultimi anni che i sistemi planetari con un Giove freddo contengono quasi sempre una super-Terra, " dice Schlecker. Al contrario, circa il 30% di tutti i sistemi planetari in cui si formano le super-Terre sembra anche avere un Giove freddo. Sarebbe plausibile aspettarsi che i pianeti massicci abbiano maggiori probabilità di distruggere i sistemi planetari durante la loro formazione in modo tale da ostacolare la formazione di altri pianeti. Però, questi freddi Giove sembrano sufficientemente lontani dagli interni, così che la loro influenza sullo sviluppo sembra essere piuttosto piccola.

Però, la valutazione dei sistemi planetari simulati non ha potuto confermare questa tendenza. Solo un terzo di tutti i Giove freddi era accompagnato da almeno una super-Terra. Per di più, gli astronomi hanno trovato un Giove freddo solo nel 10% di tutti i sistemi planetari sintetici con super-Terre. Così, le simulazioni mostrano che sia le super-Terre che i freddi Giove hanno solo leggermente più probabilità di verificarsi insieme in un sistema planetario che se apparissero da soli. Gli scienziati attribuiscono questo risultato a diverse ragioni.

Una spiegazione ha a che fare con la velocità con cui i pianeti gassosi migrano gradualmente verso l'interno. La teoria della formazione dei pianeti sembra prevedere tassi più alti di quelli osservati, portando ad un aumento dell'accumulo di giganti gassosi su orbite di distanza intermedia. Nelle simulazioni, questi "giovi caldi" interferiscono con le orbite interne e causano l'espulsione di altre super-Terre o addirittura la collisione in gigantesche collisioni. Con una tendenza leggermente inferiore a migrare dei pianeti gassosi simulati, rimarrebbero altre super-Terre, che sarebbe più compatibile con le osservazioni.

Le simulazioni prevedono scoperte future

Ora, le osservazioni distinguono solo approssimativamente tra diversi tipi di super-Terre, perché la loro esatta caratterizzazione richiederebbe misurazioni precise difficilmente possibili con gli strumenti odierni. Nelle simulazioni del gruppo Berna-Heidelberg, però, ciò si ottiene tracciando il percorso di un pianeta all'interno del disco protoplanetario e dei suoi incontri con altri pianeti. "Abbiamo trovato un eccesso significativo di sistemi planetari contenenti sia un Giove freddo che almeno una super-Terra secca, cioè., con poca acqua o ghiaccio, e un'atmosfera sottile al massimo, " nota Schlecker. Un confronto con i dati osservativi è difficile, a causa dei circa 3200 sistemi planetari conosciuti fino ad oggi, solo 24 hanno dimostrato di essere paragonabili a tale costellazione. Tuttavia, i risultati disponibili sono in buon accordo. D'altra parte, non c'è quasi nessun sistema planetario in cui esistano contemporaneamente super-Terre con un'alta percentuale di ghiaccio e un freddo Giove.

Sulla base di questi risultati, gli astronomi di questo studio hanno sviluppato uno scenario che potrebbe spiegare la formazione di questi diversi tipi di sistemi planetari. Come mostrano le simulazioni, la costellazione finale è determinata principalmente dalla massa del disco protoplanetario, cioè., la quantità di materiale disponibile per l'accrescimento dei pianeti.

Nei dischi di media massa non c'è abbastanza materiale all'interno, regione calda per produrre super-Terre. Allo stesso tempo, la quantità è troppo piccola anche nelle parti esterne oltre il limite delle nevicate, dove l'acqua è presente in forma congelata e la proporzione di pezzi di ghiaccio è piuttosto grande, per formare pianeti massicci come Giove. Anziché, il materiale si condensa in super-Terre con un'alta percentuale di ghiaccio con un involucro di gas possibilmente esteso. Queste super-Terre migrano gradualmente verso l'interno. In contrasto, c'è abbastanza materiale in dischi massicci per formare sia pianeti rocciosi simili alla Terra a distanze moderate dalla stella centrale che pianeti giganti freddi oltre il limite delle nevi. Questi pianeti rocciosi sono poveri di ghiaccio e gas. Fuori dall'orbita del freddo Giove, possono formarsi super-Terre ricche di ghiaccio, ma la loro migrazione in direzione radiale è limitata dall'influenza del pianeta gigante. Perciò, non possono entrare nell'intimo, zona calda.

La verifica della previsione è possibile solo tra qualche anno

Però, it will only be possible to verify this concept with powerful telescopes such as the Extremely Large Telescope (ELT) of the European Southern Observatory or the James Webb Space Telescope (JWST). Both are expected to be operational within this decade. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

In linea di principio, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Così, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Però, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. For this reason, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.