Come si formano i pianeti giganti

Gli astronomi hanno proposto due teorie per spiegare la nascita di pianeti giganti come Giove o Saturno. Nel primo meccanismo, la formazione avviene dal basso verso l'alto, iniziando con la formazione di un nucleo solido grande circa dieci volte la Terra. "Poi questo nucleo ha una massa sufficiente per attrarre e trattenere una quantità considerevole di gas", spiega Judit Szulágyi, astrofisica dell'ETH di Zurigo e membro del Centro nazionale di competenza per la ricerca PlanetS.

La seconda teoria è uno scenario top-down: In questo caso, il disco di materia intorno alla giovane stella è così denso che gas e polvere formano bracci a spirale contenenti ammassi a causa della loro gravità. Infine, la gravità fa sì che questi ammassi collassino direttamente su se stessi, formando un pianeta gassoso in modo simile a come si formano le stelle. Il primo meccanismo è chiamato "accrezione del nucleo", il secondo "instabilità del disco". In entrambi i casi, attorno ai giganti gassosi si forma il cosiddetto disco circumplanetario, luogo di nascita delle lune.

Simulazione con supercomputer

Per scoprire quale meccanismo avviene effettivamente nell'universo, Judit Szulágyi e Lucio Mayer, professori dell'Università di Zurigo, hanno simulato i due scenari sul supercomputer Piz Daint del Centro svizzero di supercalcolo (CSCS) di Lugano. "Abbiamo spinto le nostre simulazioni al limite in termini di complessità della fisica che abbiamo usato per i nostri modelli", spiega Judit Szulágyi: "E abbiamo raggiunto una risoluzione più alta di chiunque altro".

Nei loro studi, pubblicati sulla rivista "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society", i ricercatori hanno trovato una differenza importante tra i due meccanismi di formazione: Nello scenario dell'instabilità del disco, il gas vicino al pianeta rimaneva molto freddo, intorno ai 50 Kelvin, mentre nel caso dell'accrezione del nucleo, il disco circumplanetario si riscaldava a diverse centinaia di Kelvin. "Le simulazioni dell'instabilità del disco sono le prime a risolvere il disco circumplanetario attorno a più protopianeti", spiega Mayer.

Questa enorme differenza di temperatura è facile da osservare. "Quando gli astronomi osservano i sistemi planetari di nuova formazione, è sufficiente misurare la temperatura vicino al pianeta per scoprire quale meccanismo ha formato il pianeta", spiega Szulágyi. Un primo confronto tra i dati calcolati e quelli osservati sembra parlare a favore della teoria dell'accrezione del nucleo.

Tuttavia, un'altra differenza prevista non è emersa nelle simulazioni al computer. Gli astrofisici avevano precedentemente ipotizzato che la massa del disco circumplanetario sarebbe stata significativamente diversa nei due scenari. "Abbiamo dimostrato che questo non è vero", afferma il ricercatore.

Scoperto un luminoso fronte d'urto

Quando si parla delle dimensioni dei pianeti appena nati, le osservazioni possono essere fuorvianti. L'astrofisico dell'ETH lo ha scoperto in un secondo studio condotto insieme a Christoph Mordasini, professore dell'Università di Berna. Nel modello di accrezione del nucleo, i ricercatori si sono concentrati sul disco attorno a pianeti con una massa da tre a dieci volte superiore a quella di Giove. Le simulazioni al computer hanno mostrato che il gas che cade sul disco dall'esterno si riscalda e forma un fronte d'urto luminoso sullo strato superiore del disco. Questo cambia in modo decisivo l'aspetto dei giovani pianeti.

"Quando osserviamo un punto luminoso all'interno di un disco circumplanetario, non sappiamo se stiamo vedendo brillare solo il pianeta o anche il disco che lo circonda", spiega Szulágyi. Ciò significa che la massa del pianeta può essere sovrastimata fino a quattro volte. "Quindi forse un pianeta osservato ha solo una massa pari a quella di Saturno invece di qualche massa di Giove", conclude lo scienziato.

Nelle loro simulazioni, gli astrofisici hanno imitato il processo di formazione applicando le leggi fisiche fondamentali della gravità o dell'idrodinamica e la teoria dei gas. Poiché i modelli fisici erano così complessi, le simulazioni hanno richiesto molto tempo di calcolo, anche sul supercomputer più veloce d'Europa, il CSCS. "Ciò corrisponderebbe a un tempo di esecuzione di circa nove mesi su centinaia o diverse migliaia di core di computer", stima Szulágyi: "Ciò significa che ci sarebbe voluta più tempo di tutta la mia vita con un core di computer".

Ma ci aspettano altre sfide. Le simulazioni dell'instabilità del disco non coprono ancora un lungo periodo di tempo. Dopo che il protopianeta è collassato fino alla densità di Giove, il suo disco potrebbe essere riscaldato come nell'accrezione del nucleo. Inoltre, il gas più caldo sarebbe parzialmente ionizzato nel caso dell'accrezione del nucleo, il che fornirebbe un ambiente favorevole agli effetti del campo magnetico che finora sono stati trascurati. I prossimi passi saranno quindi simulazioni ancora più complesse con una descrizione più dettagliata della fisica.

L'autrice di questo testo, Barbara Vonarburg, è responsabile delle relazioni pubbliche del Centro nazionale di competenza per la ricerca. pagina esternaPianetaS.