Le collisioni cosmiche forniscono indizi sulla formazione di esopianeti

Alcuni dei migliori film sono storie di origine. Quando sappiamo da dove viene un supereroe, allora possiamo capire perché fanno quello che fanno. Lo stesso vale per i pianeti: sapere come si sono formati è fondamentale per comprenderne la struttura interna, la geologia e il clima. Sappiamo molto su come si è formata la Terra da decenni di analisi di meteoriti e rocce lunari. Pensiamo che le fasi finali della crescita della Terra abbiano coinvolto collisioni titaniche, l’ultima delle quali ha prodotto un disco di roccia vaporizzata che si è fuso nella luna.

Ma che dire delle migliaia di pianeti che abbiamo trovato intorno ad altre stelle; si sono formati come la Terra? Rispondere a questa domanda può sembrare senza speranza perché non avremo mai rocce di quei pianeti da analizzare. Ma potrebbe esserci un altro modo, e questo modo è importante perché ci offre una rara opportunità di confrontare la storia delle origini del nostro pianeta con quelle degli esopianeti rocciosi.

In un recente studio pubblicato in astronomia della natura, abbiamo usato l’architettura orbitale di un sistema di esopianeti per capire come potrebbero formarsi i pianeti, usando il sistema TRAPPIST-1 come esempio. Questo sistema è iconico tra gli esopianeti: contiene sette pianeti conosciuti, ciascuno vicino alle dimensioni della Terra e tre dei quali ricevono una quantità di energia simile dalla loro piccola stella rossa come la Terra riceve dal Sole.

Ai fini della nostra analisi, una caratteristica chiave di TRAPPIST-1 è l’orbitale risonanza. Dopo un numero specifico di orbite, ogni coppia di pianeti vicini si riallinea. Ad esempio, tra la coppia esterna di pianeti, chiamata g e h, l’allineamento orbitale si ripete ogni tre orbite del pianeta g e due orbite del pianeta h; questo è un 3: 2 risonanza. Ogni coppia adiacente ha una risonanza simile. Insieme, tutti e sette i pianeti partecipano a questa danza orbitale, formando a catena risonante.

Nel paintball, ogni volta che una persona viene colpita, l’impatto lascia una macchia di vernice, quindi puoi dire a colpo d’occhio quanto spesso viene colpito un giocatore. Allo stesso modo, le superfici dei pianeti e delle lune conservano i segni degli impatti; quando un oggetto dallo spazio si schianta, esplode e si lascia dietro un cratere. Puoi vedere i più grandi crateri sulla Luna a occhio; Tycho è uno dei più drammatici.

Volevamo capire quanta spazzatura spaziale, ovvero asteroidi e comete rimanenti, avrebbe potuto bombardare i pianeti TRAPPIST-1. Un pezzo chiave del nostro studio è stato calcolare esattamente quanto siano fragili le risonanze orbitali del sistema. Si scopre che le risonanze sono estremamente facili da rompere. Quando un asteroide o una cometa si scontra con un pianeta, o anche solo passa vicino, l’orbita del pianeta si sposta leggermente. Somma alcuni di questi spostamenti e le orbite dei pianeti vicini si distanziano abbastanza da perdere la loro risonanza. Da quel momento in poi, non potranno più riallinearsi.

Utilizzando simulazioni orbitali, abbiamo determinato quanta spazzatura spaziale si sarebbe scontrata con ciascun pianeta TRAPPIST-1 se le risonanze del sistema fossero andate perse. Naturalmente, le risonanze di TRAPPIST-1 lo erano non perduto; sono sopravvissuti per miliardi di anni da quando si sono formati i pianeti e li osserviamo oggi. TRAPPIST-1 è come un giocatore di paintball che indossa un completo che è ancora quasi perfettamente pulito. Le nostre simulazioni ci mostrano lo “scenario peggiore”; la quantità massima di materiale che potrebbe aver avuto un impatto su uno qualsiasi dei pianeti TRAPPIST-1 da quando si sono formati è minuscola (in termini cosmici), meno dell’1% della massa terrestre. Non più di quello avrebbe interrotto permanentemente le risonanze che vediamo oggi.

Poiché ci sono stati così pochi impatti, i pianeti TRAPPIST-1 devono essere cresciuti molto più velocemente della Terra. Risonanze come la forma di TRAPPIST-1 per migrazione orbitale, poiché le orbite dei pianeti in crescita si restringono lentamente interagendo con il disco gassoso che forma il pianeta. Una volta che il disco è andato, le risonanze possono rompersi ma non possono riformarsi. Quindi, il sistema TRAPPIST-1 deve essersi formato completamente durante la vita del disco della sua stella, solo pochi milioni di anni. Ci fu al massimo un leggero bombardamento nei successivi miliardi di anni.

Al contrario, l’analisi della Terra e delle rocce lunari indica che la collisione delle dimensioni di un pianeta che ha formato la luna è avvenuta circa 100 milioni di anni dopo l’inizio della formazione del sistema solare. I pianeti TRAPPIST-1 potrebbero aver subito tali collisioni giganti, ma solo molto presto nella loro storia, prima che la catena risonante fosse scolpita nella pietra. Non comprendiamo appieno come questi diversi percorsi di formazione influenzino l’evoluzione interna, la geologia e il clima dei pianeti TRAPPIST-1 rispetto alla Terra, ma è un’area di studio attiva. Ad esempio, è possibile che la loro rapida crescita aumenterebbe notevolmente la quantità di acqua che potrebbe essere immagazzinata all’interno delle rocce all’interno dei pianeti, ma diminuirebbe la quantità che potrebbe rimanere come oceani di superficie.

Il nostro studio confina con le acque polemiche di ciò che gli oggetti dovrebbero essere chiamati “pianeti”. Seguendo la definizione dell’Unione Astronomica Internazionale, il fattore che è stato utilizzato per retrocedere Plutone allo stato di “pianeta nano” è stato che non ha ripulito il quartiere attorno alla sua orbita dalla spazzatura spaziale. Piuttosto, Plutone orbita all’interno della cintura di Kuiper di oggetti simili a comete ricchi di ghiaccio. Le nostre simulazioni mostrano che nessuna popolazione sostanziale di spazzatura spaziale può rimanere nel sistema TRAPPIST-1. Ognuno di questi sette oggetti merita quindi di essere chiamato pianeta.

Per ora, possiamo applicare la nostra nuova tecnica solo alla manciata di altri sistemi, le catene risonanti con maglie da paintball quasi pulite. Eppure questi sono alcuni dei sistemi più interessanti che conosciamo sia dal punto di vista orbitale sia perché una teoria propone che quasi tutti i sistemi planetari trascorrono del tempo come una catena risonante (sebbene sopravvivano pochissime catene risonanti). Comprendere le storie dei bombardamenti dei pianeti in questi sistemi è un primo passo per raccontare le storie delle origini di altri mondi.

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