Webb scopre che i dischi di formazione planetaria vivevano più a lungo nell’Universo primordiale

Nuovi dati confutano le attuali teorie sulla formazione dei pianeti nei primi giorni dell’Universo.

 

 

l telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA ha appena risolto un enigma dimostrando una controversa scoperta fatta con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA più di 20 anni fa.

Nel 2003, Hubble ha fornito la prova dell’esistenza di un pianeta massiccio attorno a una stella molto antica, vecchia quasi quanto l’Universo. Tali stelle possiedono solo piccole quantità di elementi più pesanti che sono i mattoni dei pianeti.

Ciò implicava che la formazione di alcuni pianeti è avvenuta quando il nostro Universo era molto giovane, e quei pianeti hanno avuto il tempo di formarsi e crescere all’interno dei loro dischi primordiali, anche più grandi di Giove. Ma come? Questo era sconcertante.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno usato Webb per studiare le stelle in una galassia vicina che, proprio come l’Universo primordiale, manca di grandi quantità di elementi pesanti.

Hanno scoperto che non solo alcune stelle hanno dischi di formazione planetaria, ma che quei dischi sono più longevi di quelli visti intorno alle giovani stelle nella nostra galassia, la Via Lattea.

“Con Webb, abbiamo una conferma davvero forte di ciò che abbiamo visto con Hubble, e dobbiamo ripensare a come modelliamo la formazione dei pianeti e l’evoluzione iniziale nell’Universo giovane”, ha detto il leader dello studio Guido De Marchi del Centro Europeo di Ricerca e Tecnologia Spaziale dell’ESA a Noordwijk, nei Paesi Bassi.

Nell’Universo primordiale, le stelle si sono formate principalmente da idrogeno ed elio e da pochissimi elementi più pesanti come carbonio e ferro, che sono arrivati successivamente attraverso le esplosioni di supernova.

“I modelli attuali prevedono che con così pochi elementi più pesanti, i dischi attorno alle stelle hanno una vita breve, così breve che i pianeti non possono diventare grandi”, ha detto Elena Sabbi, co-ricercatrice dello studio di Webb, capo scienziato dell’Osservatorio Gemini presso il NOIRLab della National Science Foundation a Tucson.

“Ma Hubble ha visto quei pianeti, quindi cosa succederebbe se i modelli non fossero corretti e i dischi potessero vivere più a lungo?”

Per testare questa idea, gli scienziati hanno addestrato Webb sulla Piccola Nube di Magellano, una galassia nana che è uno dei vicini più prossimi della Via Lattea. In particolare, hanno esaminato il massiccio ammasso di formazione stellare NGC 346, che ha anche una relativa mancanza di elementi più pesanti.

L’ammasso è servito come proxy vicino per lo studio di ambienti stellari con condizioni simili nell’Universo primordiale e distante.

Le osservazioni di Hubble di NGC 346 della metà degli anni 2000 hanno rivelato molte stelle di circa 20-30 milioni di anni che sembravano avere ancora dischi di formazione planetaria intorno a loro.

Ciò andava contro la credenza convenzionale che tali dischi si sarebbero dissipati dopo 2 o 3 milioni di anni.

“I risultati di Hubble sono stati controversi, andando contro non solo le prove empiriche nella nostra galassia, ma anche contro i modelli attuali”, ha detto De Marchi. “Questo era intrigante, ma senza un modo per ottenere gli spettri di quelle stelle, non potevamo davvero stabilire se stavamo assistendo a un vero accrescimento e alla presenza di dischi, o solo ad alcuni effetti artificiali”.

Ora, grazie alla sensibilità e alla risoluzione di Webb, gli scienziati hanno i primi spettri in assoluto di stelle simili al Sole in formazione e dei loro ambienti immediati in una galassia vicina.

“Vediamo che queste stelle sono effettivamente circondate da dischi e sono ancora in procinto di divorare materiale, anche a un’età relativamente avanzata di 20 o 30 milioni di anni”, ha detto De Marchi.

 “Questo implica anche che i pianeti hanno più tempo per formarsi e crescere attorno a queste stelle rispetto alle vicine regioni di formazione stellare nella nostra galassia”.

Questa scoperta confuta le precedenti previsioni teoriche secondo cui quando ci sono pochissimi elementi più pesanti nel gas attorno al disco, la stella spazzerebbe via molto rapidamente il disco.

Quindi la vita del disco sarebbe molto breve, anche meno di un milione di anni.

Ma se un disco non rimane intorno alla stella abbastanza a lungo da permettere ai granelli di polvere di aderire e ai ciottoli di formarsi e diventare il nucleo di un pianeta, come possono formarsi i pianeti?

I ricercatori hanno spiegato che potrebbero esserci due meccanismi distinti, o anche una combinazione, per i dischi di formazione planetaria per persistere in ambienti poveri di elementi più pesanti.

Innanzitutto, per essere in grado di soffiare via il disco, la stella applica una pressione di radiazione. Affinché questa pressione sia efficace, nel gas dovrebbero risiedere elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio.

Ma il massiccio ammasso stellare NGC 346 ha solo circa il dieci per cento degli elementi più pesanti presenti nella composizione chimica del nostro Sole. Forse una stella di questo ammasso impiega semplicemente più tempo a disperdere il suo disco.

La seconda possibilità è che, affinché una stella simile al Sole si formi quando ci sono pochi elementi più pesanti, dovrebbe partire da una nube di gas più grande.

Una nube di gas più grande produrrà un disco più grande. Quindi c’è più massa nel disco e quindi ci vorrebbe più tempo per soffiare via il disco, anche se la pressione di radiazione funzionasse allo stesso modo.

“Con più materia intorno alle stelle, l’accrescimento dura più a lungo”, ha detto Sabbi. “I dischi impiegano dieci volte più tempo a scomparire. Ciò ha implicazioni sul modo in cui si forma un pianeta e sul tipo di architettura dl sistema che si può avere in questi diversi ambienti. È così eccitante”.

Immagine: NASA, ESA, CSA, STScI, O. C. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA)