Gli scienziati continuano a studiare il sistema solare e sembra molto interessante. Ad esempio, le moderne orbite planetarie ospitano indizi che rivelano le dure condizioni dell'origine del sistema solare e, forse, l'esistenza di un gigante interstellare che si è smarrito molto tempo fa. Il nostro sistema solare è come una scena del crimine avvenuta 4,6 miliardi di anni fa.
Le orbite moderne ospitano indizi che rivelano le dure condizioni dell'origine del sistema solare e forse l'esistenza di un gigante interstellare che si è smarrito molto tempo fa.
Il nostro sistema solare è come una scena del crimine avvenuta 4,6 miliardi di anni fa.
Superfici disseminate di crateri, orbite planetarie spostate e nuvole di detriti interplanetari sono analoghi cosmici di schizzi di sangue sul muro e segni di slittamento di un'auto che lascia un inseguimento. Questi e altri indizi raccontano le origini caotiche della nostra famiglia planetaria.
In agguato tra queste impronte ci sono indizi su un fratello perduto, il pianeta 9 (no, non Plutone), gettato via nel tiro alla fune gravitazionale che ha accompagnato la formazione originale del sistema solare.
Al giorno d'oggi, quattro enormi pianeti dominano la periferia del sistema solare: Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Dietro di loro c'è la cintura di Kuiper, un campo di frammenti di ghiaccio, tra i quali si trova Plutone.
"Non pensare che la periferia del sistema solare sia sempre stata la stessa di adesso", dice David Nesvorny, scienziato planetario presso il Southwest Research Institute di Boulder, in Colorado, che si è espresso per la prima volta a favore dell'esistenza di un pianeta latitante nel 2011. anno.
Nesvorni è un membro di un gruppo di scienziati che stanno cercando di capire come si è evoluto il sistema solare nelle prime centinaia di milioni di anni della sua esistenza. Utilizzando sofisticati modelli computerizzati, i ricercatori hanno compilato una cronologia delle collisioni tra pianeti appena nati che sorsero relativamente vicini l'uno all'altro - alternativamente planati e saltati da un'orbita all'altra. Questi modelli hanno rivelato molti piccoli dettagli su come i pianeti, gli asteroidi e le comete ruotano intorno al sole oggi.
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C'era solo un problema. In genere, gli scenari simulati si sono conclusi con Urano o Nettuno cacciati dal sistema solare, come ha scritto Nesvorni a settembre nella Rivista annuale di astronomia e astrofisica.
Poiché in realtà Urano e Nettuno rimangono al loro posto - le navicelle spaziali li hanno visitati entrambi - qualcosa in questi scenari non ha funzionato. Tuttavia, come molti ricercatori sospettano, un attore chiave in questo mistero e un anello mancante nella storia del sistema solare potrebbe essere il quinto pianeta gigante.
Pianeta perso
Gli astronomi si affidano a modelli computerizzati per ricreare queste scene antiche, creando migliaia di sistemi solari diversi in migliaia di modi diversi. Traducono le leggi della fisica e qualunque posizione planetaria iniziale possano pensare in codice di programma. Il ricercatore imposta i parametri - un pianeta qui, un mucchio di asteroidi là - e poi si appoggia allo schienale della sedia e lascia che l'ambiente simulato faccia tutto il lavoro per lui. Dopo un paio di settimane in tempo reale - milioni di anni nel modello - l'astronomo controlla i risultati per vedere cosa è successo al sistema solare. Più è vicino alla realtà, maggiore è il successo del modello.
È quello che ha fatto Nesvorni nel 2009. Ha approfondito i sistemi solari virtuali nel tentativo di salvare Urano virtuale e Nettuno virtuale dai loro percorsi virtuali nello spazio profondo.
Il problema era Giove, un gigantesco pianeta hooligan la cui gravità può arrivare abbastanza lontano da essere spinto da pianeti più piccoli e detriti vari. Nella simulazione di maggior successo fino ad oggi, Giove e uno dei due pianeti esterni rimbalzarono l'uno sull'altro e alla fine si stabilirono nelle loro orbite attuali. Ma questo è successo solo nell'uno percento di tutti i modelli. Nel restante 99% dei casi, Giove lanciò Urano o Nettuno così forte che lasciarono il sistema solare e non vi tornarono più.
"Questo ha reso la situazione molto misteriosa, poiché sapevamo che Urano e Nettuno continuavano a esistere nella loro forma attuale", dice Nesvorni. Così ha continuato a sperimentare. Dopo un anno di simulazione di innumerevoli scenari diversi, iniziò a pensare di aggiungere pianeti martiri - pianeti extra sacrificati per salvare il resto.
"Ho solo simulato la loro esistenza per vedere cosa è successo, e non perché prendessi sul serio l'idea stessa", dice Nesvorni. "Ma poi ho capito che poteva esserci una grana ragionevole". Ha eseguito circa 10.000 scenari, cambiando il numero di pianeti extra, la loro posizione originale e la massa di ciascuno di essi.
L'opzione migliore, che prediceva più accuratamente lo stato attuale del nostro sistema solare, si è rivelata quella in cui il pianeta extra si trovava tra le orbite originali di Saturno e Urano. In termini di massa, il pianeta era approssimativamente uguale a Urano e Nettuno ed era quasi 16 volte più grande della Terra. È un tale pianeta che potrebbe entrare in collisione con l'orbita di Giove e volare fuori dal sistema solare.
Il grafico mostra come la distanza tra i pianeti e il sole è cambiata nel tempo. I primi milioni di anni nel modello computerizzato, le orbite sono cambiate lentamente, poi c'è stato uno stretto contatto tra Saturno (verde) e un pianeta in più (viola), che ha portato alla destabilizzazione delle orbite. Le linee tratteggiate indicano le dimensioni attuali delle orbite. (Fonte: tratto da materiali di D. Nesvorny / sezione di astronomia e astrofisica della rivista Knowable, 2018.)
Le possibilità sono ancora scarse. Nei modelli successivi, questo allineamento si è concluso con successo in circa il cinque percento delle volte. "L'esistenza del sistema solare nella sua forma attuale non è né tipica né prevedibile", ha osservato Nesvorny nel 2012 in un articolo scritto insieme al collega Alessandro Morbidelli dell'Osservatorio della Costa Azzurra. Nonostante ciò, il modello è stato un miglioramento significativo rispetto al tasso di successo dell'1% per quei modelli che includevano solo i quattro pianeti giganti che conosciamo e amiamo oggi.
"Supporre un quinto pianeta rende molto più facile spiegare cosa sta succedendo", afferma Sean Raymond, scienziato planetario presso l'Università di Bordeaux in Francia. E sebbene le prove siano per lo più circostanziali, "è molto più logico presumere che allora ci fosse anche un quinto pianeta".
Questo può sembrare un presupposto molto controverso. Come possono gli astronomi sapere qualcosa di quello che è successo quattro miliardi di anni fa, anche con i pianeti che possiamo osservare ora, per non parlare di quelli di cui non sappiamo nulla? Tuttavia, si scopre che i pianeti hanno lasciato molte cicatrici di battaglia della giovinezza come prova per i detective del futuro.
Schizzi di sangue interplanetario
"Siamo più che fiduciosi che i pianeti non abbiano avuto origine dove sono oggi", ha detto Nathan Keib, scienziato planetario presso l'Università dell'Oklahoma a Norman.
Tuttavia, questa realizzazione è avvenuta abbastanza di recente. Per la maggior parte della storia, gli astrologi non hanno avuto dubbi sul fatto che i pianeti siano sempre stati nelle loro orbite attuali. Ma all'inizio degli anni '90, i ricercatori si sono resi conto che mancava qualcosa a un modello del genere.
Nettuno e Tritone.
Appena oltre l'orbita di Nettuno si trova la fascia di Kuiper, una dispersione di detriti di ghiaccio che circonda il sole. "Questi sono i nostri schizzi di sangue sul muro", dice Konstantin Batygin, uno scienziato planetario presso il California Institute of Technology.
La posizione degli oggetti della cintura di Kuiper ha portato i ricercatori all'inevitabile conclusione: Nettuno si sarebbe dovuto formare molto più vicino al Sole di quanto la sua posizione attuale suggerisca. Molti oggetti della fascia di Kuiper si raggruppano in orbite concentriche che assomigliano vagamente a solchi su un disco musicale. Queste orbite non sono affatto casuali: sono direttamente correlate a Nettuno.
Ad esempio, Plutone è l'abitante più famoso della fascia di Kuiper. Lui e un paio di centinaia dei suoi compagni di viaggio a noi noti compiono esattamente due rivoluzioni attorno al Sole nelle tre che Nettuno compie nello stesso periodo. Altri flussi di detriti nella cintura compiono una rivoluzione completa per ogni due che Nettuno completa, o meglio, quattro per ogni sette.
La fascia di Kuiper non poteva essere realizzata in questo modo senza influenze esterne. Tuttavia, se supponiamo che Nettuno si sia avvicinato al Sole e poi si sia spostato verso l'esterno, la sua forza gravitazionale sarebbe abbastanza forte da catturare i detriti interplanetari nelle sue reti e inviarlo in queste orbite insolite.
Questo modello mostra come la disposizione ravvicinata dei pianeti esterni (immagine a sinistra) possa cambiare nel tempo. Le orbite di Giove e Saturno stanno convergendo (immagine centrale), il che porta a un cambiamento in tutte le altre orbite. Nello specifico in questo modello, Urano e Nettuno vengono scambiati. Dopo un po '(immagine a destra) i detriti spaziali sono sparpagliati - alcuni si depositano nella fascia di Kuiper, mentre i pianeti iniziano a muoversi verso le loro orbite attuali. (Fonte: adattato da Astromark / Wikimedia Commons.)
Ciò ha coinciso con le previsioni di alcuni modelli ottenute un decennio prima.
La formazione dei pianeti ha lasciato dietro di sé un pasticcio di detriti sparsi in tutto il sistema solare. Qualsiasi frammento che si fosse avvicinato troppo a Nettuno sarebbe inevitabilmente caduto sotto l'influenza della sua gravità. Poiché ogni azione è seguita da un'eguale forza di opposizione, ogni volta che Nettuno spingeva il frammento, si muoveva egli stesso nella direzione opposta. Lentamente ma inesorabilmente, Nettuno si allontanò dal sole.
Il processo di migrazione di Nettuno si applica anche ad altri pianeti giganti. Dopotutto, Giove, Saturno e Urano si sono fatti strada attraverso lo stesso campo di detriti e hanno affrontato interazioni gravitazionali simili. E se Nettuno si fosse trasferito in un posto nuovo, lo stesso sarebbe dovuto accadere con tutti gli altri pianeti giganti.
E questo processo chiaramente non è stato fluido.
Le continue collisioni con tutti questi detriti avrebbero dovuto trasformare le orbite dei pianeti giganti in cerchi perfetti e sottili, proprio come l'argilla sul tornio di un vasaio viene levigata dalla mano ferma di un vasaio. Tuttavia, le orbite si sono rivelate piuttosto diverse. Invece, i pianeti giganti si muovono in orbite leggermente allungate e distorte. Come se qualcuno colpisse una ruota, rimodellando le pentole rotonde.
Giove che salta
Nel 2005, i ricercatori avevano identificato il colpevole. I nuovi modelli hanno suggerito che a un certo punto i pianeti giganti hanno attraversato quella che gli scienziati chiamano "instabilità dinamica". In altre parole, per circa un milione di anni, tutto si è trasformato in un folle turbine. La ragione più probabile di ciò sembrava essere una serie di collisioni tra Saturno e Urano, o Nettuno, cioè uno dei giganti di ghiaccio, che ne mandò uno direttamente verso Giove. Non appena il pianeta perduto si avvicinò, la sua gravità attirò Giove, rallentandolo e spingendolo in un'orbita più stretta. Tuttavia, Giove ha trascinato il pianeta invasore con non meno forza. Il gigante di ghiaccio, essendo molto più leggero, ha accelerato molto più di Giove che ha rallentato e si è allontanato dal sole.
Un simile incidente sarebbe un pogrom gravitazionale per il sistema solare. Giove saltava più in profondità verso l'interno, mentre il resto dei pianeti esterni saltava verso l'esterno. Una tale spinta piegherebbe le orbite dei pianeti giganti nel loro stato attuale. Inoltre, salverebbe il sistema solare interno - Mercurio, Venere, Terra, Marte e la fascia degli asteroidi - dalla gravità sia di Giove che di Saturno, che era un altro problema nei primi modelli.
Il che ci porta alla rimozione di Urano o Nettuno dal sistema. È in questa fase della simulazione che Giove getta più spesso via uno dei giganti di ghiaccio.
Questo è proprio il problema che Nesvorny ha cercato di risolvere senza rompere tutto il resto nelle simulazioni che hanno funzionato. Il gigante di ghiaccio in più subisce il colpo di Giove, dando al resto dello scenario la possibilità di dispiegarsi senza ostacoli.
"Questo è abbastanza plausibile", dice Batygin. "Non è affatto un fatto che ci siano sempre stati esattamente due giganti di ghiaccio invece di tre". Al contrario, dice, alcuni calcoli consentono l'esistenza originale di un massimo di cinque pianeti simili a Nettuno.
Batygin ei suoi colleghi hanno indagato su questo problema parallelamente a Nesvorni, anche se per ragioni diverse. "Volevo dimostrare che non poteva esserci un pianeta gigante in più", dice Nesvorni.
La grande macchia rossa di Giove. Foto scattata da Voyager 1.
Pensò che, uscendo dal sistema solare, questo presunto pianeta doveva aver lasciato una traccia qua e là nella fascia di Kuiper, in un'area conosciuta come la "fascia fredda classica". Se la cintura di Kuiper fosse una ciambella, continua Batygin, la cintura classica fredda diventerebbe il suo ripieno di cioccolato, un ammasso di oggetti le cui orbite si trovano praticamente sullo stesso piano all'interno della cintura di Kuiper. Un pianeta che passava avrebbe dovuto interrompere queste orbite, almeno così credevano Batygin ei suoi colleghi.
I loro modelli di computer mostravano che non era successo niente del genere. Con loro sorpresa, il pianeta esiliato non avrebbe distrutto la fredda cintura classica durante la sua uscita. Ciò non prova l'esistenza del pianeta: il risultato ottenuto indica solo che il sistema solare potrebbe esistere nella sua forma attuale, sia con esso che senza di esso. Questo pianeta potrebbe aver lasciato un'impronta più chiara? Oppure, tornando all'analogia con la scena del crimine, ci sono tracce di slittamento? Nesvorni pensa che tali tracce potrebbero benissimo rimanere.
Nucleo di verità
C'è un'altra parte della fascia di Kuiper: uno stretto flusso di detriti ghiacciati chiamato nucleo, le cui orbite non corrispondono alla posizione attuale di Nettuno. La sua origine è un mistero. Nel 2015, Nesvorni ha sostenuto che, forse, la ragione di tutto potrebbe essere il movimento di Nettuno dal Sole, provocato da un pianeta ormai passato.
Mentre Nettuno si muoveva nella sua orbita finale e spazzava i detriti in orbite coerenti con la sua, a un certo punto potrebbe essere scoperto che ha rilasciato abbastanza di questi detriti per formare il proprio flusso.
I modelli hanno dimostrato che lo stesso impatto gravitazionale che potrebbe far saltare Giove da un'orbita all'altra e spingere il pianeta in più fuori dal sistema solare potrebbe essere accaduto al momento giusto per spingere anche Nettuno.
"Il risultato è qualcosa di simile a un kernel", afferma Nesvorni. "Questa è una prova circostanziale … non è conclusiva."
In verità, non sapremo mai con certezza cosa sia successo nel sistema solare durante la sua formazione. "Non possiamo scrivere la Bibbia del sistema solare", dice Batygin. "Possiamo solo parlare di questi eventi in termini molto generali".
Se uno degli abitanti del sistema solare viene effettivamente espulso dai suoi confini, è in buona compagnia. Negli ultimi anni, gli astronomi hanno scoperto diversi pianeti anomali che si spostano tra le stelle, che, molto probabilmente, sono stati anche gettati fuori dalle loro case. Proiettando i risultati di questa scoperta sul resto della galassia, "ci sono molti più pianeti in volo libero delle dimensioni di Giove che stelle", dice Nesvorni.
Questa potrebbe essere un'esagerazione: secondo stime recenti, c'è un solo pianeta simile a Giove per ogni quattro stelle, ma si tratta comunque di miliardi di mondi in roaming. E questi sono solo quelli di dimensioni paragonabili a Giove. Il nostro emarginato era probabilmente più piccolo, circa delle dimensioni di Nettuno; e non abbiamo idea di quanti corpi simili stiano vagando per la galassia. Ma sappiamo che l'Universo tende a favorire i corpi piccoli rispetto a quelli grandi.
"Scommetto che ce ne sono molti", dice Nesvorni. Tra le altre cose, gli astronomi hanno scoperto migliaia di sistemi stellari nella Via Lattea e molti di loro mostrano segni di collisioni su una scala molto più ampia di quella discussa sopra. "È incredibile", dice Nesvorni, "quanto sia rimasto ordinato il sistema solare".
Christopher Crockett
