Il modello sviluppato dai ricercatori brasiliani mostra una fase caotica che colloca gli oggetti nelle orbite attuali a partire dai primi 100 milioni di anni dopo la formazione dei pianeti giganti.
L’ipotesi che il Sistema Solare sia nato da una gigantesca nube di gas e polveri è stata proposta per la prima volta nella seconda metà del XVIII secolo. Fu proposta dal filosofo tedesco Immanuel Kant e sviluppata dal matematico francese Pierre-Simon de Laplace. Oggi è un consenso tra gli astronomi. Grazie all’enorme quantità di dati osservazionali, di input teorici e di risorse computazionali oggi disponibili, è stato continuamente perfezionato, ma non si tratta di un processo lineare.
Né lo è senza controversie. Fino a poco tempo fa si pensava che il Sistema Solare avesse acquisito le sue caratteristiche attuali a seguito di un periodo di turbolenza che si è verificato circa 700 milioni di anni dopo la sua formazione.
Tuttavia, 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 strutturazione precedente. Riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Icarus, lo studio è stato sostenuto dalla Fondazione di ricerca di San Paolo – FAPESP.
L’autore principale è Rafael Ribeiro de Sousa. Gli altri due autori sono André Izidoro Ferreira da Costa e Ernesto Vieira Neto, ricercatore principale dello studio.
“La grande quantità di dati acquisiti dall’osservazione dettagliata del Sistema Solare ci permette di definire con precisione le traiettorie dei molti corpi che orbitano intorno al Sole”, ha detto Ribeiro. “Questa struttura orbitale ci permette di scrivere la storia della formazione del Sistema Solare.
Emersi dalla nube di gas e polvere che circondava la nostra stella 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 co-planari e più circolari di quanto non lo siano ora, e più interconnesse in sistemi dinamici risonanti. Questi sistemi stabili sono il risultato più probabile della dinamica gravitazionale della formazione di pianeti da dischi protoplanetari gassosi”.
Izidoro ha offerto maggiori dettagli.
“I quattro pianeti giganti – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – sono emersi dalla nube di gas e polvere in orbite più compatte”, ha detto. “I loro movimenti erano fortemente sincroni a causa delle catene di risonanza, con Giove che completava tre giri intorno 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”.
Tuttavia, 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 dei precursori di asteroidi, comete e satelliti.
Il disco planetario esterno iniziò a disturbare l’equilibrio gravitazionale del sistema. Le risonanze furono perturbate dopo la fase gassosa, e il sistema entrò in un periodo di caos in cui i pianeti giganti interagirono violentemente ed espulsero la materia nello spazio.
“Plutone e i suoi vicini di ghiaccio sono stati spinti nella Cintura di Kuiper, dove si trovano ora, e l’intero gruppo di pianeti è migrato in orbite più lontane dal Sole”, ha detto Ribeiro.
La Cintura di Kuiper, la cui esistenza è stata proposta nel 1951 dall’astronomo olandese Gerard Kuiper e successivamente confermata dalle osservazioni astronomiche, è una struttura toroidale (a forma di ciambella) composta da migliaia di piccoli corpi in orbita attorno al Sole.
La diversità delle loro orbite non si vede in nessun’altra parte del Sistema Solare. Il bordo interno della cintura di Kuiper inizia all’orbita di Nettuno a circa 30 unità astronomiche (AU) dal Sole. Il bordo esterno è a circa 50 AU dal Sole. Una AU è approssimativamente uguale alla distanza media dalla Terra al Sole.
Tornando alla perturbazione della sincronicità e all’inizio della fase caotica, la domanda è quando questo è accaduto – 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 dell’instabilità tardiva”, ha detto Ribeiro. “La datazione delle rocce lunari riportate dagli astronauti dell’Apollo suggeriva che erano state create da asteroidi e comete che si schiantavano sulla superficie lunare nello stesso momento.
Questo cataclisma è conosciuto come il “pesante bombardamento tardivo” della Luna. Se è accaduto sulla Luna, presumibilmente è accaduto 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, si è dedotto dalle rocce lunari che questo periodo caotico è avvenuto in ritardo, ma negli ultimi anni l’idea di un ‘bombardamento tardivo’ della Luna è caduta in disgrazia”.
Secondo Ribeiro, se la catastrofe caotica tardiva si fosse verificata avrebbe distrutto la Terra e gli altri pianeti terrestri, o almeno avrebbe causato perturbazioni che li avrebbero collocati in orbite totalmente diverse da quelle che osserviamo ora.
Inoltre, le rocce lunari riportate dagli astronauti dell’Apollo sono risultate essere state prodotte da un singolo impatto. Se fossero state originate da un’instabilità tardiva dei pianeti giganti, ci sarebbero state prove di diversi impatti diversi, data la dispersione dei planetesimi da parte dei pianeti giganti.
“Il punto di partenza del nostro studio era l’idea che l’instabilità dovesse essere datata in modo dinamico. L’instabilità può essere avvenuta solo in seguito, se c’era 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 dimostrata insostenibile nella nostra simulazione”, ha detto Ribeiro.
L’argomento si basa su una semplice premessa: più breve è la distanza tra Nettuno e il disco planetario, maggiore è l’influenza gravitazionale, e quindi più precoce è il periodo di instabilità. Al contrario, l’instabilità successiva richiede una distanza maggiore.
“Quello che abbiamo fatto è stato scolpire il disco planetario primordiale per la prima volta. Per farlo abbiamo dovuto tornare alla formazione dei giganti di ghiaccio Urano e Nettuno.
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”, ha detto Ribeiro, riferendosi all'”inclinazione” di Urano, con i poli nord e sud situati sui suoi lati piuttosto che in alto e in basso.
Studi precedenti avevano sottolineato l’importanza della distanza tra l’orbita di Nettuno e il confine interno del disco planetario, ma hanno usato un modello in cui i quattro pianeti giganti erano già formati.
“La novità di quest’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 è costituito da due o tre collisioni che coinvolgono oggetti con un massimo di cinque masse terrestri”, ha detto Izidoro.
“Immaginate una situazione in cui si formino 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 numerose la loro sincronicità oscilla e finiscono per scontrarsi. Le collisioni riducono il loro numero, rendendo possibile la sincronicità. Alla fine rimangono Urano e Nettuno.
“Mentre i due giganti di ghiaccio si formavano nel gas, il disco planetario si consumava. Una parte della materia si è accumulata su Urano e Nettuno, e una parte è stata spinta verso la periferia del Sistema Solare. La crescita di Urano e Nettuno definì quindi la posizione del confine interno del disco planetario. Ciò che rimaneva del disco è ora la Cintura di Kuiper. La Cintura di Kuiper è fondamentalmente una reliquia del disco planetario 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 Cintura di Kuiper. È anche coerente con il moto dei Troiani, un grande gruppo di asteroidi che condividono l’orbita di Giove e che presumibilmente sono stati 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 che ha contribuito allo spostamento della fascia degli asteroidi. L’ultimo articolo è una sorta di continuazione, partendo da una fase 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 planetario ha prodotto perturbazioni nel disco gassoso che si sono diffuse sotto forma di onde. Le onde producevano sistemi planetari compatti e sincroni. Quando il gas si esaurì, l’interazione tra i pianeti e il disco planetario perturbò la sincronicità e diede origine alla fase caotica. Tenendo conto di tutto questo, abbiamo scoperto che semplicemente non esistevano le condizioni perché la distanza tra l’orbita di Nettuno e il confine interno del disco planetario diventasse abbastanza grande da sostenere l’ipotesi di instabilità tardiva. Questo è il principale contributo del nostro studio, che dimostra che l’instabilità si è verificata nei primi cento milioni di anni e potrebbe essere avvenuta, per esempio, prima della formazione della Terra e della Luna”, ha detto Ribeiro.