Webb indaga su collisioni planetarie devastanti

Nella prima storia del nostro Sistema Solare, un oggetto grande quanto Marte chiamato Theia si schiantò contro la neonata Terra, vaporizzando enormi quantità di roccia e lanciandola nello spazio. Parte di quel materiale si è coagulato nella Luna. Gli astronomi hanno ora utilizzato il telescopio spaziale James Webb per esaminare una classe di giovani sistemi stellari che mostrano segni di sconvolgimenti simili, fornendo indizi sulla quantità di energia nelle loro collisioni. I risultati offrono spunti sulla composizione e sull’evoluzione di questi sistemi caotici.

 

 

 

 

L’ambiente che circonda una stella cambia con l’età, iniziando con un disco protoplanetario giovanile ricco di gas dove possono risiedere pianeti in formazione e terminando con un disco di detriti povero di gas.

Durante la sua missione, il telescopio spaziale Spitzer della NASA, ritirato, esaminò lo stadio del disco di detriti con ancora più dettaglio, scoprendo una sottoclasse chiamata dischi estremi di detriti.

Questi sistemi ospitano quantità insolitamente grandi di polvere calda vicino alla stella, nella regione paragonabile a dove orbitano i pianeti rocciosi nel nostro Sistema Solare.

Un team di astronomi guidato da Kate Su dell’Istituto di Scienze Spaziali di Boulder, Colorado, ha indagato questi oggetti intriganti insieme a Webb.

I risultati del team sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal.

Contrariamente alle previsioni teoriche, che suggeriscono di osservare molti dischi di detriti estremi, le osservazioni indicano che questi ambienti sono rari.

Gli scienziati stimano che solo circa l’1% delle stelle giovani mostri firme osservabili di questa fase basandosi sui dati raccolti finora, incluso forse il nostro stesso Sistema Solare durante la sua formazione.

Nonostante la loro rarità, il team è riuscito a raccogliere un campione di 21 dischi di detriti estremi, inclusi cinque dai dati d’archivio di Spitzer e 16 da Webb, con 12 dischi recentemente osservati e osservazioni successive su quattro dischi di Spitzer.

“È la prima volta che abbiamo raccolto abbastanza sistemi per comprendere davvero questa sottoclasse che chiamiamo dischi di detriti estremi,” ha detto Su, autore principale dell’articolo.

“Prima di Webb, avevamo informazioni limitate. Sapevamo che sono strani e molto diversi dai tipici dischi di detriti freddi che conosciamo, come Vega e Fomalhaut. Ora che abbiamo più dati, possiamo definire cosa rappresentano questi dischi per la formazione e l’evoluzione dei pianeti.”

Il team ha confermato che i dischi di detriti estremi condividono tre proprietà chiave: grani di polvere più piccoli rispetto a quelli dei dischi di detriti protoplanetari o classici, un’alta concentrazione di polvere calda e variazioni irregolari di luminosità, tutte rivelate dagli spettri del medio infrarosso di Webb e Spitzer.

Per determinare il fattore trainante di queste qualità, il team ha studiato la composizione mineralogica dei dischi. Scoprirono che il loro campione poteva essere classificato in dischi ricchi di silice e poveri di silice.

Il vetro vulcanico come l’ossidiana è un esempio di materiale ricco di silice presente sulla Terra, mentre il minerale forsterite, povero di silice, appare come granelli di sabbia verde.

La categoria di un disco di detriti estremi trasmette informazioni sul tipo di collisioni che producono i detriti d’impatto e può aiutare a spiegare la sua variabilità nella luminosità infrarossa.

“Vedere semplicemente la loro emissione nel medio infrarosso e le bellissime caratteristiche spettrali con Webb, che ci hanno permesso di identificare le loro composizioni, è stata la cosa più entusiasmante per me”, ha detto Agnes Kospal dell’Osservatorio Konkoly di Budapest, Ungheria, e coautrice dello studio.

“Non abbiamo altro modo di studiare direttamente questi embrioni planetari perché sono troppo piccoli.”

Del loro campione, circa un terzo è ricco di silice, suggerendo che questi dischi siano prodotti da impatti ad alta energia tra corpi grandi quanto Marte, dove una parte significativa del materiale viene vaporizzata.

I restanti due terzi del campione sono povero di silice, indicando che le collisioni avvengono su scale più piccole, come il raso, tra oggetti delle dimensioni lunari.

I dischi ricchi di silice si trovano solo intorno a stelle più giovani di 300 milioni di anni, mentre i dischi poveri di silice persistono in un’ampia gamma di età e spesso mostrano una maggiore variabilità di luminosità.

Il team propone che questa variabilità sia guidata dalla rapida evoluzione orbitale e collisionale di detriti freschi prodotti da molteplici impatti.

Le loro scoperte possono essere applicate al nostro stesso Sistema Solare, che potrebbe aver sperimentato più di una fase estrema di dischi di detriti.

“Come si sono formati i pianeti rocciosi e i pianeti giganti si sono evoluti fa parte della storia più ampia della formazione del Sistema Solare – è tutta una storia”, ha detto Su.

“Il nostro lavoro sui dischi di detriti estremi ci aiuta a mettere insieme il quadro generale di ciò che comprendiamo attualmente.”

Le simulazioni suggeriscono che pianeti terrestri, come la Terra, dovrebbero formarsi entro i primi centinaia di milioni di anni dalla formazione di un Sistema Solare.

Questo periodo si inserisce nelle età dei dischi estremi ricchi di silice osservati finora e si allinea con la stima che la Terra e la Luna si siano formate circa 100 milioni di anni dopo la formazione del Sole, con la Luna probabilmente il risultato di una collisione tra la Terra e un oggetto delle dimensioni di Marte.

Per quanto riguarda se il nostro Sole abbia subito una fase di dischi estremi poveri di silice, se dischi più vecchi poveri di silice e i loro intervalli casuali di luminosità infrarossa riflettessero instabilità orbitale, ciò sarebbe in generale coerente con l’ipotesi del Late Heavy Bombardment per il nostro Sistema Solare.

In quello scenario, i pianeti giganti gassosi migrarono per distanze significative, disturbando gravitazionalmente le orbite di corpi più piccoli e scatenando collisioni catastrofiche che generarono le fasi di breve durata e ricche di polvere osservate nei dischi di detriti estremi.

“Certo, ci sono molte cose che ancora non sappiamo su questi dischi”, ha detto Attila Moor dell’Osservatorio di Konkoly, coautore dello studio.

“Non ci aspettiamo sistemi ricchi di silice tra i vecchi dischi di detriti estremi. Abbiamo solo tre dischi nel nostro campione che soddisfano quei criteri di età, quindi sarà bello osservare più di questi sistemi per confermare la nostra ipotesi.”

 

 

NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)