Le misteriose inclinazioni dei pianeti

Per molti aspetti, i pianeti che orbitano attorno alle stelle sono come trottole inclinate che ruotano nello spazio; un collegamento sorprendente tra l'inclinazione di un pianeta e la sua orbita può aiutare a spiegare un enigma di vecchia data sulle architetture dei sistemi esoplanetari.

Mentre un pianeta si forma, il suo asse di rotazione si può inclinare in direzione della sua stella in modo vario. Se l’inclinazione dell’asse diventa grande, essa può influenzare alcuni parametri orbitali dei pianeti più prossimi, e disturbare l’accoppiamento di risonanza tra pianeti. Questo può spiegare alcune stranezze individuate dal telescopio spaziale Kepler in diversi pianeti extrasolari

Rappresentazione allegorica dell’analogia tra pianeti e trottole. Crediti: NASA, JPL-Caltech e Sarah Milholland

Normalmente, pochi di noi conoscono il significato del concetto di “obliquità planetaria”, ma ognuno di noi conosce le sue conseguenze: l’obliquità (o inclinazione assiale) in astronomia indica l’angolo con cui è inclinato l’asse di rotazione di un pianeta rispetto alla perpendicolare al suo piano orbitale. Se l’asse di rotazione del pianeta è perpendicolare al piano dell’orbita, la sua inclinazione assiale è per definizione pari a 0°. In buona sostanza, l’obliquità di un pianeta determina l’alternarsi delle stagioni su di esso. Sembrerebbe, però, che le variazioni dell’obliquità possano essere molto più influenti.

Secondo una ricerca recentemente pubblicata su “Nature Astronomy”, se rotazione e orbita di un pianeta si coordinano nel modo giusto, l’obliquità può variare in modo tale da influire sull’orbita, e portare il pianeta ad allontanarsi o avvicinarsi alla sua stella. Questo potrebbe spiegare un mistero che dura da quasi un decennio e che coinvolge una grande quantità di pianeti scoperti dal telescopio spaziale Kepler.

Immagine artistica del telescopio spaziale Kepler (Crediti: NASA/JPL-Caltech)

Anche se le stagioni influiscono notevolmente sulle nostre vite, sono state frequentemente considerate piccoli errori di arrotondamento nei calcoli che studiano come le varie forze modellano un pianeta partendo dal core, passando poi alla crosta ed arrivando fino alla sommità delle nuvole. Considerato poi che attualmente è molto arduo valutare l’inclinazione assiale di un pianeta extrasolare, questo ha indotto la gran parte degli astronomi a tralasciare l’obliquità nelle elaborazioni dei modelli evolutivi dei sistemi planetari. Sarah Millholland e Greg Laughlin della Yale University, però, nel loro articolo riferiscono che le maree causate dalla inclinazione assiale possono avere effetti importanti. “Le grandi obliquità generano maree più vigorose e le maree fanno spostare il pianeta”, dice Millholland.

Pianeti coordinati

Prima di Kepler, si conoscevano solo un pugno di sistemi esoplanetari, per la maggior parte costituiti da un unico mondo riconosciuto. Basandosi sul nostro sistema solare, ci si attendeva che una buona parte di questi pianeti fossero coordinati per effetto di risonanza, vale a dire che, a causa delle interazioni gravitazionali tra i pianeti, i rapporti tra i loro periodi orbitali fossero piccoli numeri interi.
Per capirci meglio, un pianeta esterno risonante con uno interno potrebbe compiere una sola rivoluzione attorno al suo sole ogni due orbite dal suo fratello più prossimo, in una cosiddetta risonanza 2:1. In questo modo i due mondi formano una struttura molto stabile, passando l’uno di fronte all’altro nella medesima zona delle loro orbite. Si riteneva che le risonanze comparissero presto nella vita dei pianeti, emergendo non appena si spostano insieme nei loro dischi protoplanetari attorno alle stelle appena nate.

I pianeti del sistema solare non presentano queste configurazioni (a meno di non considerare Plutone come pianeta, in tal caso troveremmo una risonanza 2:3 con Nettuno), ma considerando le lune troviamo molti esempi. Un buon numero satelliti dei giganti gassosi sono coordinati in risonanza. “Capita molto più spesso di quello che ci si aspetterebbe dal puro caso”, dice Douglas Hamilton dell’Università del Maryland, College Park, che non ha partecipato alla nuova ricerca.
Kepler è stato molto abile nello scovare sistemi con numerosi pianeti che orbitano “fianco a fianco”, appaiati tra loro in strutture risonanti. Però, quando nel 2010 Kepler ha rilevato il primo insieme di mondi, gli scienziati hanno immediatamente compreso che qualcosa non andava. I pianeti accoppiati erano sì comuni, ma la gran parte di essi era leggermente fuori sincronia, lontano da una variazione accettabile per una risonanza, e transitavano l’uno di fronte all’altro un po’ più lentamente o più velocemente del previsto. Come se una forza sconosciuta avesse separato i pianeti accoppiati. “È stato un risultato elettrizzante”, afferma Darin Ragozzine, astronomo della Brigham Young University che studia gli esopianeti e ha contribuito a svelare il mistero nel 2011.
Gli scenziati si sono appassionati quasi subito alla questione. Secondo Ragozzine, che non ha partecipato al nuovo studio, gli astronomi ipotizzavano che i pianeti fossero coordinati in risonanza molto prima che qualcosa disturbasse il loro moto. Molti erano gli indiziati: asteroidi che influivano sui pianeti, pressioni create mentre il gas del disco si disperdeva, maree causate dalla forza di gravità della stella. Nessuno di questi, però, sembrava la causa corretta, perlomeno fino a quando Millholland e Laughlin non hanno considerato l’obliquità.

Trottole e piani oscillanti

Nei modelli standard di formazione planetaria si ipotizza che, alla loro nascita, gli equatori dei pianeti giacciano sul piano orbitale, diretti verso la stella, e corrispondentemente i loro poli puntino dritti fuori dal disco che li circonda, con una inclinazione assiale prossima a zero. Col tempo, le interazioni cumulate con altri oggetti sono in grado di cambiarne le obliquità, inclinandoli in misura lieve o enorme. Oggi, la Terra ha un’inclinazione di 23,5 gradi, protetta dall’influenza della Luna. Al contrario, Urano è inclinato di 97,9 gradi, e “rotola” sul suo piano orbitale con i poli che quasi giacciono su di esso, presumibilmente a causa di un impatto che lo scosse molto tempo fa.

Immagine in falsi colori del pianeta Urano catturata dal telescopio spaziale Hubble (Credit: NASA/Erich Karkoschka/Univ. Arizona)

Insomma, indipendentemente dalla causa scatenante, l’inclinazione di un pianeta può variare nel tempo, analogamente alle oscillazioni di una trottola. In circa 40.000 anni, l’inclinazione dell’asse terrestre oscilla tra 22,1 a 24,5 gradi; nel mentre, il polo non punta nella stessa direzione; ed inoltre oscilla leggermente come se facesse perno su di un tavolo che vacilla, in un ciclo di circa 26.000 anni chiamato precessione di spin (precessione degli equinozi). E tutto questo avviene mentre il pianeta orbita intorno al Sole lungo un’ellisse. Ed anche l’ellisse trasla leggermente, mantenendo le sue caratteristiche ma lentamente ruotando attorno alla stella.
Finché le modifiche avvengono in tempi diversi tra loro, rimangono separate e non si influenzano l’un l’altra. Millholland e Laughlin hanno scoperto che, se l’ellisse orbitale compie una rotazione completa in un tempo pari alla durata di una precessione di spin, si crea una potente sinergia. “Quando i due diventano uguali, allora si incatenano insieme”, dice Laughlin. “Se cambia uno, l’altro di conseguenza cambierà”.

L’esperimento utilizzato da Laughlin per illustrare questa relazione ardua da capire è costituito da una semplice trottola di legno ruotante su un piatto, in cui la trottola raffigura un pianeta e il piatto la sua orbita. Facendo oscillare il piatto avanti e indietro alla velocità giusta, è possibile far proseguire la rotazione della trottola ben oltre l’attimo in cui si sarebbe fermata spontaneamente. Coordinando la velocità dell’ondeggiamento del piatto con la rotazione della trottola, un qualsiasi cambiamento nel movimento del piatto influenza la trottola. “È una similitudine concreta molto prossima a quanto accade tra i pianeti tra la rotazione su loro stessi e le loro orbite”, dichiara Millholland.

I cambiamenti di inclinazione tra l’asse dei pianeti e loro piano orbitale si verificano agli albori della loro vita. In probabilmente circa 10 milioni di anni, il gas e le polveri del disco protoplanetario scompaiono, inghiottiti dai pianeti giganti in crescita o eliminati dai venti stellari. Rimanendo poco dei due a influenzarne il moto, i pianeti interrompono la loro deriva e si assestano su orbite stabili; questa stabilizzazione agisce fino a rallentare la precessione dell’asse di un pianeta, allungandone il periodo di completamento di una rivoluzione. Il rallentamento della precessione induce gradualmente il pianeta ad inclinarsi lateralmente sempre più.

Questo mutamento non accade a costo zero. “L’aumento di inclinazione del pianeta finisce per ingrandire la forza delle maree”, dice Hamilton. Le maree, poi, spostano il pianeta fuori dalla sua orbita ad una cadenza molto lenta. Se questo accade in un sistema solare dove alcuni mondi sono coordinati in risonanza tra loro, essi vengono sempre più spostati dall’assoluta armonia orbitale con i pianeti vicini: ovvero, la stessa sconcertante situazione rilevata da Kepler. “E’ una ipotesi molto interessante e intelligente, e potrebbe essere il fattore dominante”, dichiara Ragozzine. (Dominante per gli esopianeti: questa spiegazione non è utilizzabile per le lune del sistema solare in risonanza, perché rimangono bloccati in posizione dagli effetti di marea dei loro pianeti).
Gli studi di Millholland e Laughlin sono solo i primi passi fondamentali per chiarire l’enigma di Kepler, ma è difficile che siano gli ultimi. “L’obliquità è stata trascurata perché non si pensava di poterla osservare”, dice Daniel Fabrycky, dell’Università di Chicago, che non ha preso parte al lavoro. Fabrycky è persuaso che questo recente studio stimolerà altri astronomi a dare una nuova considerazione all’effetto dell’inclinazione assiale dei pianeti, che potrebbero svelare aggiuntive complessità tuttora non considerate.

Mondi di sbieco

La mutazione dell’inclinazione di un pianeta verso il suo Sole ha diverse conseguenze planetarie importanti. L’effetto di marea di una stella è sufficiente per creare un rigonfiamento intorno ad un pianeta nelle sue prossimità, e i pianeti visti da Kepler sono tutti sufficientemente prossimi alla loro stella da sperimentare tali effetti. Il moto della materia all’interno del pianeta genera calore, scaldandone l’interno e potenzialmente causando fenomeni tettonici / geologici, come le eruzioni vulcaniche.
È quanto accaduto ad Io, la luna di Giove. Anche se la sua inclinazione assiale non è elevata, la sua traiettoria ellittica “friziona” l’interno del satellite per via dell’attrazione gravitazionale di Giove. Ciò ha trasformato la piccola luna nell’oggetto con più vulcani attivi nel sistema solare. Questo non implica che la gran parte dei pianeti con asse “sbieco” assomiglino a Io, ma “potrebbe capitare facilmente”, dice Laughlin.

La similitudine con la trottola è utile per comprendere la dinamica rotazionale dei pianeti e delle influenze reciproche con il moto orbitale (agefotostock / AGF)

 

L’inclinazione condizionerebbe anche l’atmosfera di un pianeta extrasolare, variandone i modelli meteorologici.

La gran parte dei mondi rilevati da Kepler ed esaminati nello studio era ritenuta “bloccata marealmente”, ovvero si pensava che un emisfero si affacciasse stabilmente verso la sua stella madre, in modo da avere un lato perennemente illuminato ed uno immerso nel buio della notte. Un pianeta inclinato non può essere imprigionato in questa configurazione, ma potrebbe l’obliquità potrebbe alterare intimamente le correnti dominanti, e qualche volta generare giorni e notti enormemente lunghi, che potrebbero durare anche per metà dell’anno del pianeta. Il telescopio spaziale James Webb in costruzione dovrebbe permettere agli astronomi di individuare queste differenze tra il giorno e la notte e probabilmente misurare l’inclinazione di quei mondi. “Potremmo scorgere il flusso termico di un pianeta lungo la sua orbita e la diversità tra il lato luminoso e quello buio”, dice Millholland. “Questo potrebbe rivelarne l’obliquità”.
Ragozzine e Hamilton sono fiduciosi sui risultati, ma Fabrycky non è totalmente certo che le nuove scoperte spiegheranno tutti i pianeti curiosamente inclinati scoperti da Kepler. “Non sono del tutto persuaso che l’inclinazione degli assi di rotazione chiarirà tutto, ma è stato dimostrato che è un meccanismo rilevante”, dice.
Laughlin ritiene che questo meccanismo non riguardi ogni pianeta con un’orbita appena sfasata. Tutto sommato, alcuni pianeti potrebbero finire in tali orbite per caso. In ogni caso, egli sostiene che la teoria spiega almeno in parte l’eccesso di pianeti rivelato da Kepler. Di per sé, non consentirà ai ricercatori di individuare un unico pianeta e dire se la sua orbita sia casuale o se la sua obliquità l’abbia spinto su di un lato. Pensiamo ad Urano e alla sua inattesa obliquità: probabilmente è originata da un vasto impatto del pianeta con un corpo, non da una impalpabile fatalità della meccanica celeste.

Millholland e Laughlin rimangono speranzosi. “Continuiamo a pensare che questo meccanismo chiarisca l’ arcano che da anni toglie il sonno ai planetologi”, dice Laughlin.

 

Articolo di riferimento QUI (in inglese). QUI lo studio completo su ArXiv (pdf)

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