C'è una popolazione di pianeti che vaga nello spazio senza legami con le stelle. Sono chiamati pianeti canaglia o pianeti fluttuanti (FFP). Alcuni FFP si formano come solitari, non avendo mai goduto della compagnia di una stella. Ma la maggior parte viene espulsa dai sistemi solari in qualche modo, e ci sono diversi modi in cui ciò può accadere.
Un ricercatore ha cercato di comprendere la popolazione FFP e come si è formata.
Gli FFP sono anche chiamati oggetti di massa planetaria isolati (iPMO) nella letteratura scientifica, ma indipendentemente dal nome utilizzato, sono la stessa cosa. Questi pianeti vagano da soli nello spazio interstellare, separati da qualsiasi relazione con stelle o altri pianeti.
I FFP sono misteriosi perché estremamente difficili da rilevare. Ma gli astronomi stanno migliorando e stanno ottenendo strumenti migliori per questo compito. Nel 2021, gli astronomi hanno compiuto uno sforzo determinato per rilevarli nell'Alto Scorpione e nell'Ofiuco e ne hanno rilevati 70, forse molti di più.
In termini generali, ci sono due modi in cui possono formarsi i FFP. Possono formarsi come la maggior parte dei pianeti, in dischi protoplanetari attorno a giovani stelle. Questi pianeti si formano per accumulo di polvere e gas. Oppure possono formarsi come fanno le stelle, collassando in una nube di gas e polvere non collegata a una stella.
Per i pianeti che si formano attorno alle stelle e alla fine vengono espulsi, esistono diversi meccanismi di espulsione. Possono essere espulsi dalle interazioni con le loro stelle in un sistema stellare binario, possono essere espulsi da un sorvolo stellare o possono essere espulsi dallo scattering pianeta-pianeta.
Nel tentativo di comprendere meglio la popolazione FFP, un ricercatore ha esaminato i FFP espulsi. Ha simulato i pianeti canaglia che risultano dalle interazioni pianeta-pianeta e quelli che provengono da sistemi stellari binari, dove le interazioni con le loro stelle binarie li espellono. Potrebbe esserci un modo per distinguerli e capire meglio come nascono questi oggetti?
Un nuovo articolo intitolato “Sulle proprietà dei pianeti fluttuanti originari di sistemi planetari circumbinari” ha affrontato il problema. L'autore è Gavin Coleman del Dipartimento di Fisica e Astronomia della Queen Mary University di Londra. L'articolo sarà pubblicato negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society ed è disponibile su arXiv server di prestampa.
Nel suo articolo, Coleman sottolinea che i ricercatori hanno esplorato il modo in cui si formano i FFP, ma c'è ancora molto da fare. "Numerosi lavori hanno esplorato i meccanismi per formare tali oggetti, ma non hanno ancora fornito previsioni sulla loro distribuzione che potrebbero distinguere tra i meccanismi di formazione", scrive.
Coleman si concentra sulle stelle espulse piuttosto che sulle stelle che si sono formate come ribelli. Evita i pianeti canaglia che sono il risultato di interazioni con altri pianeti perché la dispersione pianeta-pianeta non è così significativa come altri tipi di espulsioni. "Vale la pena notare che la dispersione pianeta-pianeta attorno a singole stelle non può spiegare il gran numero di FFP osservati nelle osservazioni", spiega Coleman.
Coleman nel suo lavoro individua i sistemi stellari binari e i loro pianeti circumbinari. Precedenti ricerche mostrano che i pianeti vengono espulsi naturalmente dai sistemi circumbinari. Nella sua ricerca, Coleman ha simulato sistemi stellari binari e il modo in cui si comportano i pianeti espulsi da questi sistemi. "Troviamo differenze significative tra i pianeti espulsi attraverso le interazioni pianeta-pianeta e quelli generati dalle stelle binarie", scrive.
Coleman ha basato le sue simulazioni su un sistema stellare binario chiamato TOI 1338. TOI 1338 ha un pianeta circumbinario noto chiamato BEBOP-1. L'utilizzo di un sistema binario noto con un pianeta circumbinario confermato fornisce una solida base per le sue simulazioni. Gli ha anche permesso di confrontare i suoi risultati con altre simulazioni basate su BEBOP-1.
La simulazione ha variato diversi parametri:la massa iniziale del disco, la separazione binaria, la forza dell'ambiente esterno e il livello di turbolenza nel disco. Questi parametri governano fortemente i pianeti che si formano. Altri parametri utilizzavano un solo valore:la massa stellare combinata, il rapporto di massa e l'eccentricità binaria. La massa stellare combinata di TOI 1338 è di circa 1,3 masse solari, in linea con la media dei sistemi binari di circa 1,5 masse solari.
Ogni simulazione è durata 10 milioni di anni, un tempo sufficiente perché il sistema solare prendesse forma.
Coleman ha scoperto che i sistemi circumbinari producono FFP in modo efficiente. Nelle simulazioni, ciascun sistema binario espelle in media da due a sette pianeti con massa superiore a 1 terrestre. Per i pianeti giganti con massa superiore a 100 masse terrestri, il numero di pianeti espulsi scende a 0,6 pianeti espulsi per sistema.
Le simulazioni hanno anche mostrato che la maggior parte dei pianeti vengono espulsi dai loro dischi circumbinari tra 0,4 e 4 milioni di anni dopo l’inizio della simulazione. A questa età, il disco circumbinario non è stato dissipato e spazzato via.
Il risultato più importante potrebbe riguardare le dispersioni di velocità dei FFP. "Quando i pianeti vengono espulsi dai sistemi, mantengono velocità in eccesso significative, tra 8 e 16 km/s. Questo è molto più grande delle dispersioni di velocità osservate delle stelle nelle regioni locali di formazione stellare", spiega Coleman. Ciò significa quindi che le dispersioni di velocità dei FFP possono essere utilizzate per distinguere quelli espulsi da quelli che si sono formati come solitari.
Le dispersioni di velocità forniscono un'altra finestra sulla popolazione FFP. Le simulazioni di Coleman mostrano che la dispersione della velocità dei FFP espulsi attraverso le interazioni con le stelle binarie è circa tre volte maggiore della dispersione dei pianeti espulsi dallo scattering pianeta-pianeta.
Coleman scoprì anche che il livello di turbolenza nel disco influenza l'espulsione dei pianeti. Quanto più debole è la turbolenza, tanto più pianeti vengono espulsi. La turbolenza influenza anche la massa dei pianeti espulsi:una turbolenza più debole espelle pianeti meno massicci, dove circa il 96% dei pianeti espulsi hanno meno di 100 masse terrestri.
Nel loro insieme, le simulazioni forniscono un modo per osservare la popolazione FFP e determinarne le origini. "Le differenze nella distribuzione delle masse FFP, nelle loro frequenze e nelle velocità in eccesso possono indicare se le stelle singole o i sistemi circumbinari sono il luogo di nascita fondamentale delle FFP", scrive Coleman nelle sue conclusioni.
Ma l'autore riconosce anche gli inconvenienti delle sue simulazioni e chiarisce ciò che le simulazioni non ci dicono.
"Tuttavia, sebbene questo lavoro contenga numerose simulazioni ed esplori un ampio spazio di parametri, non costituisce una popolazione completa di sistemi circumbinari in formazione", scrive Coleman nelle sue conclusioni. Secondo Coleman, con la tecnologia attuale non è possibile ricavare una popolazione completa di questi sistemi.
"Se tale popolazione dovesse essere analizzata in lavori futuri, il confronto tra quella popolazione e le popolazioni osservate fornirebbe informazioni ancora più preziose sulla formazione di questi oggetti intriganti", spiega.
C'è ancora molto che gli astronomi non sanno sui sistemi binari e su come si formano ed espellono i pianeti. Per prima cosa, i modelli di formazione dei pianeti vengono costantemente rivisti e aggiornati con nuove informazioni.
Inoltre, non abbiamo un'idea chiara di quanti FFP ci siano. Alcuni ricercatori pensano che potrebbero essercene trilioni. Il prossimo telescopio spaziale romano Nancy Grace utilizzerà la lente gravitazionale per effettuare un censimento degli esopianeti, incluso un campione di FFP con masse piccole quanto quelle di Marte.
Nel lavoro futuro, Coleman intende determinare se esistono differenze nella composizione chimica tra i FFP. Ciò limiterebbe i tipi di stelle che si formano attorno e la posizione nei loro dischi protoplanetari. Ciò richiederebbe studi spettroscopici dei FFP.
Ma per ora, almeno, Coleman ha sviluppato un modo sempre migliore per comprendere i FFP. Utilizzando questi dati, gli astronomi possono iniziare a discernere da dove provengono i singoli FFP e a comprendere meglio la popolazione in generale.
Ulteriori informazioni: Gavin A. L. Coleman, Sulle proprietà dei pianeti fluttuanti liberi originari di sistemi planetari circumbinari, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.18481
Informazioni sul giornale: arXiv , Avvisi mensili della Royal Astronomical Society
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