Una corsa contro il tempo per formare pianeti

Le osservazioni su 72 giovani stelle simili al Sole forniscono uno dei più grandi studi finora su come i dischi che formano pianeti perdano il loro gas. Il modo in cui il gas fuoriesce cambia con l’invecchiamento dei sistemi planetari.

 

 

 

I pianeti si formano da dischi di gas e polvere attorno alle stelle giovani, ma il gas necessario per la crescita non dura per sempre. Nuove osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA offrono ora una nuova visione di come questo gas possa fuoriuscire e di come il processo cambi con lo sviluppo dei giovani sistemi planetari.

La ricerca, guidata da Naman Bajaj dell’Università dell’Arizona e co-autrice con la scienziata dell’Istituto SETI Uma Gorti, ha esaminato 72 giovani stelle simili al Sole e i loro dischi protoplanetari.

Questo è uno dei più grandi studi sulla formazione planetaria che utilizzano il JWST. I risultati mostrano che diversi tipi di venti sono più importanti in diverse fasi della prima vita di un sistema planetario.

I risultati sono stati pubblicati su The Astronomical Journal.

 

Una corsa contro il tempo

“Ciò che è entusiasmante di questo studio è che ora possiamo vedere, su un ampio campione di sistemi giovani, come i meccanismi che rimuovono il gas dai dischi che formano pianeti cambiano nel tempo. La dispersione dei dischi stabilisce un orologio fondamentale per la formazione dei pianeti: una volta che il gas è sparito, l’opportunità di costruire pianeti ricchi di gas è praticamente finita”, ha detto Gorti.

Oggi, il nostro sistema solare ha circa 4,5 miliardi di anni ed è per lo più spazio vuoto. Nei suoi primi milioni di anni, però, il Sole era circondato da un denso disco protoplanetario con circa 100 volte più gas che polvere. La maggior parte di quel gas alla fine scomparve.

Capire come e quando ciò accade è importante perché il gas in questi dischi è l’ingrediente principale per pianeti giganti come Giove e Saturno.

Se il gas scompare troppo presto, questi pianeti potrebbero non avere abbastanza tempo per accumulare le loro atmosfere dense.

Tracciare i venti con JWST

Per studiare questo processo, Bajaj e il suo team hanno utilizzato dati d’archivio dallo Mid-Infrared Instrument (MIRI) del JWST. Ognuno dei 72 sistemi rappresenta una fase diversa nella prima vita di un sistema planetario.

Quando combinate, queste osservazioni sono come fotogrammi in un film, aiutando i ricercatori a ricostruire come la dispersione del disco cambi nel tempo.

Nel 2020, la professoressa LPL Ilaria Pascucci, seconda autrice dell’articolo e relatrice di Bajaj, ha guidato un team che ha condotto uno studio simile per comprendere come i getti e i venti si evolvano.

All’epoca, prima del JWST, non potevano osservare direttamente l’idrogeno molecolare, ma prevedevano l’esistenza dei venti molecolari e che questi venti potessero essere abbastanza massicci da bloccare i fotoni a raggi X a età più precoce.

Con questo nuovo studio, tracciando direttamente l’idrogeno molecolare, il team di Bajaj ha confermato anche queste previsioni con le immagini JWST.

Il team si è concentrato su due segni di fuga di gas: l’idrogeno molecolare, la molecola più comune nei dischi protoplanetari, e il neon ionizzato. Grazie alla sensibilità e alla visione acuta del JWST, i ricercatori sono riusciti a distinguere tra i venti molecolari di idrogeno e i getti e i venti segnati dal neon.

Nei sistemi più giovani che ancora inviano materiale alle loro stelle, le osservazioni rivelano getti forti e venti ampi composti sia da gas molecolare che atomico.

Questi flussi corrispondono a quanto gli scienziati si aspettano dai venti guidati da campi magnetici che attraversano il disco. Il gas può viaggiare lungo queste linee del campo magnetico, allontanandosi dal disco e portando con sé massa e momento angolare.

Dai venti magnetici alla fotoevaporazione

Con l’invecchiamento di questi sistemi e una diminuzione di materiale cade sulla stella, i getti si indeboliscono e i venti diventano per lo più atomici.

A questo punto, la radiazione ad alta energia della stella può attraversare il materiale in assottigliamento e riscaldare il gas del disco fino a farlo fuori. Questo processo si chiama fotoevaporazione.

Gorti ha trascorso decenni a studiare come i dischi protoplanetari evolvano e si disperdono, incluso come le radiazioni ultraviolette e X delle stelle giovani possano alimentare venti fotoevaporativi.

Le nuove osservazioni del JWST collegano questo lavoro teorico a ciò che gli astronomi ora possono vedere in decine di sistemi planetari, mostrando come la fotoevaporazione diventi sempre più importante con l’invecchiamento dei dischi e l’indebolimento dei getti e dei venti magnetici.

I risultati mostrano che nessun singolo processo controlla come un disco che forma pianeti scompare.

Al contrario, i sistemi planetari sembrano passare da una fase iniziale con forti getti e venti magnetici a una fase successiva in cui i venti atomici, inclusi quelli fotoevaporativi, giocano un ruolo più importante.

Questo cambiamento influenza direttamente la formazione dei pianeti.

“La formazione dei pianeti è quindi una corsa contro il tempo,” ha detto Bajaj. “I giganti gassosi come Giove devono assemblare le loro atmosfere massicce finché il disco è ancora abbastanza consistente da rifornirli, prima che venti e getti trasportino quella materia prima nello spazio.”

Lo studio ha rilevato emissioni estese di idrogeno molecolare e neon ionizzato in 66 dei 72 dischi. I ricercatori hanno osservato venti molecolari conici di idrogeno in 46 sistemi e getti al neon a rapido movimento in 40. Ogni sistema con getto al neon presentava anche segni di vento tracciato da idrogeno molecolare o ossigeno.

Costruire un quadro più ampio della formazione dei pianeti

Questi risultati si basano su lavori precedenti dello stesso team. Nel 2024, Bajaj, Gorti e i loro colleghi hanno utilizzato il JWST per catturare un’immagine del gas trasportato via dal disco che forma il pianeta attorno alla giovane stella T Cha.

Quello studio ha dimostrato che il JWST può studiare direttamente la dispersione dei dischi in un singolo sistema.

La nuova ricerca adotta questo approccio a decine di giovani stelle, mostrando come la combinazione di getti, venti molecolari e venti atomici cambi con l’invecchiamento dei sistemi planetari.

Il prossimo obiettivo è scoprire esattamente quanta quantità di gas questi venti rimuovono nel tempo e da dove nel disco proviene il materiale in fuga.

Queste misurazioni potrebbero aiutare gli scienziati a capire non solo quanto velocemente si chiude la finestra di formazione planetaria, ma anche dove diversi tipi di pianeti possono formarsi prima che il loro gas si esaurisca.