Negli ultimi 25 anni, gli scienziati hanno scoperto oltre 4000 pianeti oltre i confini del nostro sistema solare. Da mondi relativamente piccoli di roccia e acqua a giganti gassosi roventi, i pianeti mostrano una notevole varietà. Questa varietà non è inaspettata. I sofisticati modelli informatici, con cui gli scienziati studiano la formazione dei pianeti, generano anche pianeti molto diversi. Ciò che i modelli hanno più difficoltà a spiegare è la distribuzione di massa osservata dei pianeti scoperti intorno ad altre stelle. La maggior parte è caduta nella categoria di massa intermedia:pianeti con masse di diverse masse terrestri intorno a quella di Nettuno. Anche nel contesto del sistema solare, la formazione di Urano e Nettuno rimane un mistero. Scienziati delle Università di Zurigo e Cambridge, associato al NCCR PlanetS svizzero, hanno ora proposto una spiegazione alternativa supportata da simulazioni complete. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Astronomia della natura .

Due forze contrastanti...

"Quando i pianeti si formano dal cosiddetto disco protoplanetario di gas e polvere, le instabilità gravitazionali potrebbero essere il meccanismo trainante, "Lucio Mayer, coautore dello studio e professore di astrofisica computazionale presso l'Università di Zurigo, e membro del NCCR PlanetS, spiega. In questo processo, polvere e gas nel disco si aggregano a causa della gravità e formano dense strutture a spirale. Questi poi crescono in blocchi planetari e infine in pianeti.

La scala su cui avviene questo processo è molto ampia, coprendo la scala del disco protoplanetario. "Ma su distanze più brevi - la scala dei singoli pianeti - domina un'altra forza:quella dei campi magnetici che si sviluppano accanto ai pianeti, " elabora Mayer. Questi campi magnetici sollevano il gas e la polvere del disco e quindi influenzano la formazione dei pianeti. "Per ottenere un quadro completo del processo di formazione planetaria, è quindi importante non solo simulare la struttura a spirale su larga scala nel disco. Devono essere inclusi anche i campi magnetici su piccola scala attorno ai mattoni planetari in crescita, " dice l'autore principale dello studio, ex studente di dottorato di Mayer e ora Research Fellow presso l'Università di Cambridge, Hongping Deng.

...che sono difficili da afferrare contemporaneamente

Però, le differenze di scala e natura della gravità e del magnetismo rendono le due forze molto difficili da integrare nello stesso modello di formazione planetaria. Finora, simulazioni al computer che hanno catturato bene gli effetti di una delle forze, di solito andava male con l'altro. Per avere successo, il team ha sviluppato una nuova tecnica di modellazione. Ciò richiedeva competenze in una serie di aree diverse:in primo luogo, avevano bisogno di una profonda comprensione teorica sia della gravità che del magnetismo. Quindi, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per tradurre la comprensione in un codice in grado di calcolare in modo efficiente queste forze contrastanti all'unisono. Finalmente, a causa dell'immenso numero di calcoli necessari, era necessario un computer potente, come il "Piz Daint" presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS). "A parte gli approfondimenti teorici e gli strumenti tecnici che abbiamo sviluppato, dipendevamo quindi anche dal progresso della potenza di calcolo, "dice Lucio Mayer.

Risolto un enigma vecchio di decenni?

Contro ogni aspettativa, tutto è venuto insieme al momento giusto e ha permesso una svolta. "Con il nostro modello, siamo stati in grado di mostrare per la prima volta che i campi magnetici rendono difficile per i pianeti in crescita continuare ad accumulare massa oltre un certo punto. Di conseguenza, i pianeti giganti diventano più rari e i pianeti di massa intermedia molto più frequenti, simili a ciò che osserviamo nella realtà, " spiega Hongping Deng.

"Questi risultati sono solo un primo passo, ma mostrano chiaramente l'importanza di tenere conto di più processi fisici nelle simulazioni di formazione dei pianeti. Il nostro studio aiuta a comprendere i potenziali percorsi verso la formazione di pianeti di massa intermedia che sono molto comuni nella nostra galassia. Ci aiuta anche a capire i dischi protoplanetari in generale, "Ravit Helled, coautore dello studio e professore di astrofisica teorica presso l'Università di Zurigo e membro del NCCR PlanetS, conclude.