Illustrazione artistica di un disco planetario, una regione di polvere e gas dove si formano i pianeti. L'inserto zoom-in mostra le molecole di monossido di carbonio nella fase del ghiaccio. Credito:M.Weiss/Centro di astrofisica | Harvard e Smithsonian
Gli astronomi osservano frequentemente il monossido di carbonio nei vivai planetari. Il composto è ultraluminoso ed estremamente comune nei dischi protoplanetari, regioni di polvere e gas in cui i pianeti si formano attorno a giovani stelle, rendendolo un obiettivo primario per gli scienziati.
Ma negli ultimi dieci anni, qualcosa non ha funzionato quando si tratta di osservazioni di monossido di carbonio, afferma Diana Powell, Hubble Fellow della NASA presso il Center for Astrophysics, Harvard &Smithsonian.
In tutte le osservazioni dei dischi manca un enorme pezzo di monossido di carbonio, se le attuali previsioni degli astronomi sulla sua abbondanza sono corrette.
Ora, un nuovo modello, convalidato dalle osservazioni con ALMA, ha risolto il mistero:il monossido di carbonio si è nascosto nelle formazioni di ghiaccio all'interno dei dischi. I risultati sono descritti oggi sulla rivista Nature Astronomy .
"Questo potrebbe essere uno dei maggiori problemi irrisolti nei dischi che formano i pianeti", afferma Powell, che ha guidato lo studio. "A seconda del sistema osservato, il monossido di carbonio è da tre a 100 volte inferiore a quello che dovrebbe essere; è davvero enorme."
E le imprecisioni del monossido di carbonio potrebbero avere enormi implicazioni per il campo dell'astrochimica.
"Il monossido di carbonio viene essenzialmente utilizzato per tracciare tutto ciò che sappiamo sui dischi, come massa, composizione e temperatura", spiega Powell. "Questo potrebbe significare che molti dei nostri risultati per i dischi sono stati distorti e incerti perché non comprendiamo abbastanza bene il composto."
Incuriosita dal mistero, Powell ha indossato il suo cappello da detective e ha fatto affidamento sulla sua esperienza nella fisica alla base dei cambiamenti di fase, quando la materia si trasforma da uno stato all'altro, come un gas che si trasforma in un solido.
Su un'intuizione, Powell ha apportato modifiche a un modello astrofisico che è attualmente utilizzato per studiare le nuvole su esopianeti o pianeti al di là del nostro sistema solare.
"La cosa veramente speciale di questo modello è che ha una fisica dettagliata su come si forma il ghiaccio sulle particelle", spiega. "Quindi come il ghiaccio si nuclea su piccole particelle e poi come si condensa. Il modello traccia attentamente dove si trova il ghiaccio, su quale particella si trova, quanto sono grandi le particelle, quanto sono piccole e poi come si muovono."
Powell ha applicato il modello adattato ai dischi planetari, sperando di generare una comprensione approfondita di come il monossido di carbonio si evolve nel tempo nei vivai planetari. Per testare la validità del modello, Powell ha quindi confrontato il suo output con le reali osservazioni ALMA del monossido di carbonio in quattro dischi ben studiati:TW Hya, HD 163296, DM Tau e IM Lup.
I risultati e i modelli hanno funzionato davvero bene, afferma Powell.
Il nuovo modello si è allineato con ciascuna delle osservazioni, dimostrando che ai quattro dischi non mancava affatto il monossido di carbonio:si era appena trasformato in ghiaccio, che al momento non è rilevabile con un telescopio.
Gli osservatori radio come ALMA consentono agli astronomi di osservare il monossido di carbonio nello spazio nella sua fase gassosa, ma il ghiaccio è molto più difficile da rilevare con la tecnologia attuale, in particolare le grandi formazioni di ghiaccio, afferma Powell.
Il modello mostra che, a differenza del pensiero precedente, il monossido di carbonio si sta formando su grandi particelle di ghiaccio, specialmente dopo un milione di anni. Prima di un milione di anni, il monossido di carbonio gassoso è abbondante e rilevabile nei dischi.
"Questo cambia il modo in cui pensavamo che ghiaccio e gas fossero distribuiti nei dischi", afferma Powell. "Mostra anche che una modellazione dettagliata come questa è importante per comprendere i fondamenti di questi ambienti".
Powell spera che il suo modello possa essere ulteriormente convalidato utilizzando le osservazioni con il telescopio Webb della NASA, che potrebbe essere abbastanza potente da rilevare finalmente il ghiaccio nei dischi, ma resta da vedere.
Powell, che ama i cambiamenti di fase e i complicati processi dietro di essi, dice di essere sbalordita dalla loro influenza. "La fisica della formazione di ghiaccio su piccola scala influenza la formazione e l'evoluzione del disco, ora è davvero fantastico". + Esplora ulteriormente
