Anche se i pianeti circondano le stelle nella galassia, come si formano rimane un argomento di dibattito. Nonostante la ricchezza di mondi nel nostro sistema solare, gli scienziati non sono ancora certi di come i pianeti siano costruiti. Attualmente, due teorie si contendono il ruolo di campione.

La prima e più ampiamente accettata teoria, l’accrescimento del nucleo, funziona bene con la formazione dei pianeti terrestri come la Terra ma ha problemi con i pianeti giganti. La seconda, il metodo dell’instabilità del disco, può spiegare la creazione di questi pianeti giganti.

Gli scienziati continuano a studiare i pianeti dentro e fuori il sistema solare nel tentativo di capire meglio quale di questi metodi sia più accurato.

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Il modello di accrescimento del nucleo

Circa 4,6 miliardi di anni fa, il sistema solare era una nuvola di polvere e gas conosciuta come nebulosa solare. La gravità ha fatto collassare il materiale su se stesso quando ha iniziato a girare, formando il sole al centro della nebulosa.

Con l’aumento del sole, il materiale rimanente ha iniziato a raggrupparsi. Piccole particelle si unirono, legate dalla forza di gravità, in particelle più grandi. Il vento solare spazzò via gli elementi più leggeri, come l’idrogeno e l’elio, dalle regioni più vicine, lasciando solo materiali pesanti e rocciosi per creare piccoli mondi terrestri come la Terra. Ma più lontano, i venti solari hanno avuto meno impatto sugli elementi più leggeri, permettendo loro di fondersi in giganti gassosi. In questo modo sono stati creati asteroidi, comete, pianeti e lune.

Il nucleo roccioso della Terra si è formato per primo, con elementi pesanti che si sono scontrati e legati insieme. Il materiale denso è affondato al centro, mentre il materiale più leggero ha creato la crosta. Il campo magnetico del pianeta si è probabilmente formato in questo periodo. La gravità ha catturato alcuni dei gas che costituivano la prima atmosfera del pianeta.

Al principio della sua evoluzione, la Terra subì un impatto da parte di un grande corpo che catapultò nello spazio pezzi del mantello del giovane pianeta. La gravità fece sì che molti di questi pezzi si unissero e formassero la luna, che si mise in orbita attorno al suo creatore.

Il flusso del mantello sotto la crosta provoca la tettonica a placche, il movimento delle grandi placche di roccia sulla superficie della Terra. Le collisioni e l’attrito hanno dato origine a montagne e vulcani, che hanno iniziato a sputare gas nell’atmosfera.

Anche se la popolazione di comete e asteroidi che attraversano il sistema solare interno è scarsa oggi, essi erano più abbondanti quando i pianeti e il sole erano giovani. Le collisioni di questi corpi ghiacciati hanno probabilmente depositato gran parte dell’acqua della Terra sulla sua superficie. Poiché il pianeta si trova nella zona Goldilocks, la regione in cui l’acqua liquida non congela né evapora ma può rimanere allo stato liquido, l’acqua è rimasta in superficie, cosa che molti scienziati pensano giochi un ruolo chiave nello sviluppo della vita.

Le osservazioni degli esopianeti sembrano confermare l’accrescimento del nucleo come il processo di formazione dominante. Le stelle con più “metalli” – un termine che gli astronomi usano per elementi diversi da idrogeno ed elio – nei loro nuclei hanno più pianeti giganti rispetto ai loro cugini poveri di metallo. Secondo la NASA, l’accrescimento del nucleo suggerisce che i piccoli mondi rocciosi dovrebbero essere più comuni dei giganti gassosi più massicci.

La scoperta del 2005 di un pianeta gigante con un nucleo massiccio in orbita attorno alla stella simile al sole HD 149026 è un esempio di esopianeta che ha contribuito a rafforzare la tesi dell’accrescimento del nucleo.

“Questa è una conferma della teoria dell’accrescimento del nucleo per la formazione dei pianeti e la prova che pianeti di questo tipo dovrebbero esistere in abbondanza,” ha detto Greg Henry in un comunicato stampa. Henry, un astronomo della Tennessee State University di Nashville, ha rilevato l’oscuramento della stella.

Nel 2017, l’Agenzia spaziale europea prevede di lanciare il satellite CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite), che studierà esopianeti di dimensioni variabili dalle super-Terre a Nettuno. Lo studio di questi mondi lontani può aiutare a determinare come si sono formati i pianeti del sistema solare.

“Nello scenario di accrescimento del nucleo, il nucleo di un pianeta deve raggiungere una massa critica prima che sia in grado di accumulare gas in modo incontrollato”, ha detto il team di CHEOPS.

“Questa massa critica dipende da molte variabili fisiche, tra le quali la più importante è il tasso di accrescimento dei planetesimi.”

Studiando come i pianeti in crescita accrescono il materiale, CHEOPS fornirà informazioni su come crescono i mondi.

Il modello di instabilità del disco

Anche se il modello di accrescimento del nucleo funziona bene per i pianeti terrestri, i giganti gassosi avrebbero dovuto evolversi rapidamente per afferrare la massa significativa di gas più leggeri che contengono. Ma le simulazioni non sono state in grado di rendere conto di questa rapida formazione. Secondo i modelli, il processo richiede diversi milioni di anni, più a lungo di quanto i gas leggeri fossero disponibili nel primo sistema solare. Allo stesso tempo, il modello di accrescimento del nucleo affronta un problema di migrazione, poiché è probabile che i piccoli pianeti entrino a spirale nel sole in un breve lasso di tempo.

Secondo una teoria relativamente nuova, l’instabilità del disco, grumi di polvere e gas sono legati insieme all’inizio della vita del sistema solare. Nel corso del tempo, questi ammassi si compattano lentamente in un pianeta gigante. Questi pianeti possono formarsi più velocemente dei loro rivali di accrescimento del nucleo, a volte in appena un migliaio di anni, permettendo loro di intrappolare i gas più leggeri in rapida diminuzione. Raggiungono anche rapidamente una massa orbitale stabilizzante che impedisce loro di marciare a morte verso il sole.

Secondo l’astronomo esoplanetario Paul Wilson, se l’instabilità del disco domina la formazione dei pianeti, dovrebbe produrre un gran numero di mondi a grandi ordini. I quattro pianeti giganti che orbitano a distanze significative intorno alla stella HD 9799 forniscono la prova osservativa dell’instabilità del disco. Fomalhaut b, un esopianeta con un’orbita di 2.000 anni intorno alla sua stella, potrebbe anche essere un esempio di un mondo formato attraverso l’instabilità del disco, anche se il pianeta potrebbe anche essere stato espulso a causa delle interazioni con i suoi vicini.

L’accrescimento dei sassolini

La più grande sfida all’accrescimento del nucleo è il tempo – costruire giganti di gas massicci abbastanza velocemente per afferrare i componenti più leggeri della loro atmosfera. Una recente ricerca su come oggetti più piccoli, delle dimensioni di un ciottolo, si sono fusi insieme per costruire pianeti giganti fino a 1000 volte più velocemente degli studi precedenti.

“Questo è il primo modello che conosciamo che si inizia con una struttura piuttosto semplice per la nebulosa solare da cui si formano i pianeti, e si finisce con il sistema di pianeti giganti che vediamo,” autore principale dello studio Harold Levison, un astronomo presso il Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, ha detto a Space.com nel 2015.

Nel 2012, i ricercatori Michiel Lambrechts e Anders Johansen dell’Università di Lund in Svezia hanno proposto che i minuscoli ciottoli, una volta cancellati, detengono la chiave per costruire rapidamente pianeti giganti.

“Hanno dimostrato che i ciottoli avanzati da questo processo di formazione, che in precedenza si pensava non fossero importanti, potrebbero in realtà essere una soluzione enorme al problema della formazione dei pianeti”, ha detto Levison.

Levison e il suo team hanno costruito su quella ricerca per modellare più precisamente come i piccoli ciottoli potrebbero formare pianeti visti nella galassia oggi. Mentre nelle simulazioni precedenti, sia gli oggetti di grandi che di medie dimensioni consumavano i loro cugini di dimensioni sassolini ad un tasso relativamente costante, le simulazioni di Levison suggeriscono che gli oggetti più grandi hanno agito più come bulli, strappando i sassolini dalle masse di medie dimensioni per crescere ad un ritmo molto più veloce.

“Gli oggetti più grandi ora tendono a disperdere i più piccoli più di quelli più piccoli li disperdono indietro, così i più piccoli finiscono per essere dispersi fuori dal disco di ciottoli”, ha detto a Space.com la coautrice dello studio Katherine Kretke, anche lei dello SwRI. “Il più grande fondamentalmente fa il prepotente con il più piccolo in modo che possano mangiare tutti i sassolini, e possano continuare a crescere fino a formare i nuclei dei pianeti giganti.”

Come gli scienziati continuano a studiare i pianeti all’interno del sistema solare, così come intorno ad altre stelle, potranno capire meglio come si sono formati la Terra e i suoi fratelli.

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