Armonie, risonanze, un programma italiano e la coppia Urano-asteroide

Il Sistema Solare

Più o meno tutti noi conosciamo il Sistema Solare, sia che siamo espertissimi di Astronomia, sia che siamo alle prime armi. Su questo argomento si potrebbe scrivere un’enciclopedia, ma (tranquilli!) mi limiterò a quattro chiacchiere, come dice il titolo, relative a:

• l’armonia che regna sovrana nella piccolissima parte dell’Universo dove convivono la Terra, il Sole, i pianeti e tantissimi corpi celesti minori
• le risonanze e cioè i legami a volte indissolubili che legano il moto di tutti questi oggetti
• un programma italiano per i nostri PC (SOLEX), complicatuccio assai, realizzato da Aldo Vitagliano, un bravo e appassionato professore di chimica dell’Università di Napoli, giunto da poco alla pensione, di cui ho già parlato altre volte nei miei articoli
• Urano ed un asteroide lontano

Affronteremo poi un argomento abbastanza complesso, quello delle Risonanze Orbitali, appartenente alla branca della Meccanica Celeste: ma non preoccupatevi, perché ho accanto a me Archimede Pitagorico che mi blocca quando ci sono cose difficili e Paperino che deve riuscire a capirle, senza dover per forza mangiare libri di cibernetica e insalate di matematica…

Prenderò dunque spunto da un articolo apparso tempo fa su UniverseToday, redatto dal noto Mark Thompson, che tradurrò in modo ragionato e spero semplice, piuttosto che artificiale.

Ma prima vediamo insieme i punti a cui ho accennato in precedenza.

L’armonia del Sistema Solare

Fin dall’antichità lo studio del Cielo e dell’Astronomia in genere ha mostrato sempre la presenza di una forte armonia nel movimento degli astri, del Sole, della Luna, dei pianeti e degli altri corpi minori: quanto si osservava e si osserva di giorno e soprattutto di notte ha scaturito interpretazioni più o meno scientifiche che oramai si focalizzano sulla presenza di un Universo formato da miliardi di Galassie, all’interno delle quali ci sono miliardi di Sistemi Stellari, con uno o più stelle al centro, circondate da Pianeti, nuvole di gas e corpi minori (asteroidi e comete).

A parte situazioni molto complesse e caotiche dovute alla presenza ad esempio di tre astri centrali attorno ai quali ruotano pianeti votati ad un futuro molto incerto (si veda ad esempio il film di fantascienza “Il problema dei tre corpi”), la stragrande maggioranza dei casi incontrati finora prevede la presenza di un astro centrale, più o meno grande, circondato da un numero di pianeti di varia grandezza, forma e costituzione (rocciosi o gassosi): il nostro Sistema Solare è praticamente uno dei tanti sistemi, dotato com’è del Sole al centro ed attorno al quale ruotano i Pianeti (tra cui la Terra) dotati da tantissimi satelliti, gli asteroidi e le comete.

Il tutto avviene con una regolarità particolarmente suggestiva e di cui si può parlare in modo sufficientemente approssimato, fino a sconfinare negli innumerevoli dettagli tecnico-matematici.

Più si scende nei particolari, più ci si accorge che tutte le quantità in gioco, tra le quali ad esempio la distanza della Terra dal Sole oppure della Luna dalla Terra, sono variabili nel tempo. Non esiste nulla di fisso, se non la famosa velocità della luce (c), ma tutto viene alterato in ogni istante da vari fattori, soprattutto la presenza nelle vicinanze di altri oggetti celesti, ognuno di quali esercita la propria influenza su tutto l’ambiente circostante, sotto forma di attrazione gravitazionale. Se scendessimo ad analizzare ad esempio il moto della Luna intorno alla Terra, in prima approssimazione ellittico e della durata di poco meno di un mese, ci imbatteremmo in centinaia di effetti perturbativi variabili nel tempo da parte principalmente della Terra e poi dal Sole e dagli altri Pianeti, in modo più o meno marcata a seconda della distanza.

E siccome le orbite della Luna intorno alla Terra e dei Pianeti intorno al Sole sono in prima approssimazione delle ellissi (cerchi più o meno schiacciati), nella carta di identità di ognuna di queste ellissi sono presenti i cosiddetti parametri orbitali (eccentricità, asse maggiore, ecc) a loro volta tutti variabili nel tempo e fortemente dipendenti da elementi perturbativi…

Un vero guazzabuglio…

In definitiva l’armonia del Sistema Solare è presente solo in apparenza, in prima analisi per un occhio disinteressato: basta scavare più a fondo per imbattersi in insalate di matematica alquanto indigeste e sempre più difficili a mano a mano che si approfondisce l’argomento.

Le risonanze orbitali

Per farla breve e senza scendere troppo nei particolari, in tutto questo caos ben nascosto a volte affiorano degli elementi particolari e stupendi, le cosiddette risonanze, che fanno sì che due oggetti del Sistema Solare si muovano tra di loro con una certa regolarità, in quella che parecchie volte è nominata folkloristicamente danza cosmica: i due oggetti si avvicinano e si allontano tra loro in modo molto regolare senza mai scontrarsi o allontanarsi definitivamente.

Sappiamo infatti che l’attrazione gravitazionale può far sì che un asteroide o una cometa possano essere attratti da un corpo massiccio per fatalmente andarsi a schiantare sull’oggetto che li attira: anche in questo caso i famosi parametri orbitali incontrati prima giocano un ruolo fondamentale e la loro conoscenza permette di sapere se ci saranno incontri-scontri oppure si avrà una sorta di armonia.

Un esempio importantissimo di risonanza orbitale è quello riscontrato fra tre dei quattro satelliti galileiani di Giove (Io, Europa e Ganimede) che già dai tempi di Galileo si è scoperto possedere una perfetta sincronizzazione nelle loro orbite: 4 orbite di Io corrispondono esattamente a 2 orbite di Europa ed 1 di Ganimede. Il tutto è denominato Risonanza di Laplace.

Da Wikipedia ho preso questa animazione in cui si vede come si muovono i tre satelliti, visti dall’alto

Seguiamo insieme Ganimede: quando si trova in basso

gli altri due satelliti si trovano nella posizione indicata.

Guardando l’animazione vi accorgerete che quando Ganimede si trova di nuovo in basso, gli altri due satelliti si troveranno proprio nella stessa posizione: non accadrà mai ad esempio di vederli tutti e tre allineati dallo stesso lato del pianeta. Ovviamente non si tratta di un’animazione falsa e fatta apposta: nella realtà è proprio così…

Analoga situazione si ha fra tre coppie di satelliti di Saturno: Dione ed Encelado, Teti e Mimas, nonché Iperione e Titano. In tutti i casi si muovono di conserva…

Ma la situazione più importante e notevole è quella tra Nettuno e Plutone: 3 orbite di Nettuno corrispondono esattamente a 2 orbite di Plutone.

E comunque in tutti questi casi non c’è nessun pericolo di collisioni o allontanamenti dal momento che si parla di raggi orbitali molto differenti tra le terne o coppie di oggetti.

Un tocco di italianità

Nel campo delle indigeste insalate di matematica e libri di cibernetica ci sono gli immancabili programmi per computer che praticamente consentono a chiunque (non solo ai tecnici della NASA, come accadeva anni fa) di addentrarsi nei meandri della Meccanica Celeste e servono in generale per poter calcolare la posizione precisa nel tempo di astri, pianeti e quant’altro: in questo caso esiste da parecchi anni il validissimo programma SOLEX, italianissimo, che ha un approccio molto differente rispetto ad altri programmi (ad esempio quelli che utilizzo per mostrare la posizione dei pianeti in 3D e interattivamente) che utilizzano tonnellate di formule matematiche.

SOLEX invece effettua quella che si chiama un’integrazione nel tempo delle posizioni dei corpi celesti, non con formule matematiche, ma sfruttando la fisica: basta… ho già detto troppo e il buon Pitagorico già mi sta guardando storto!

Allora veniamo ad Urano ed al misterioso asteroide…

Gli scienziati scoprono che Urano ha un compagno di ballo

Dopo queste premesse, vediamo un riassunto di quanto scritto da Mark: in pratica quello che abbiamo visto succede anche per il pianeta Urano ed un asteroide. Stavolta i due oggetti viaggiano nello spazio praticamente alla stessa distanza dal Sole, ma non si scontreranno mai.

Un gruppo di studiosi ha analizzato immagini d’archivio di un asteroide della famiglia dei Centauri, denominato 2015 OU194 ottenendo un’orbita molto precisa.

Confrontando quest’orbita con quella del pianeta Urano hanno trovato che tra i due oggetti celesti esiste la cosiddetta risonanza 3:4 tra i due moti, denominata “U_3/4“. Si tratta di una novità assoluta, di una scoperta eccezionale, visto che ancora non ne era stata trovata una simile per oggetti alla stessa distanza dal Sole: Plutone e Nettuno sono davvero molto distanti anche nel caso di distanza minima.

In parole povere succede questo: ogni 3 orbite dell’asteroide intorno al Sole, Urano ne compie esattamente 4, con lo stesso tipo di meccanismo visto prima per i satelliti di Giove, ma su larghissima scala, con tempi e distanze enormi in gioco.

In definitiva i due oggetti celesti sono sincronizzati in modo tale da non arrivare mai a scontrarsi e la verifica con il programma SOLEX (citato espressamente nel testo pubblicato su arXiv e in moltissime pubblicazioni scientifiche soprattutto d’oltreoceano!) ha portato alla constatazione che questa particolare caratteristica persiste da almeno “1000 kyrs” (che sarebbero 1000 kilo-anni, cioè 1000 migliaia di anni: ma scrivere un milione di anni era troppo faticoso?! Anche Paperino scuote la testa) e durerà almeno per altri 500mila anni nel futuro! Notevole…

L’appetito vien mangiando e così i ricercatori hanno scoperto che anche l’asteroide 2013 RG98 possiede una risonanza “U_3/4” e cioè anche lui percorre esattamente 3 orbite mentre Urano ne compie 4, ma lo fa solo per centinaia di kyrs intorno all’epoca presente, quindi per un periodo molto più breve, su scala astronomica. Quello che è successo prima e quello che succederà dopo non si sa, ma si può solo ipotizzare…

Con le loro analisi gli scienziati hanno infine trovato che l’asteroide 2014 NX65 interagisce invece in modo complicatissimo sia con Urano che con Nettuno: dapprima possiede per un certo periodo una risonanza “U_3/4“, poi passa un periodo senza interazioni, per poi arrivare alla fine ad una risonanza “N_2/4” stavolta con Nettuno, con la coincidenza tra 2 suoi giri e 4 del pianeta gassoso blu.

Come detto, questa scoperta è notevole ed eccezionale, dal momento che gli asteroidi compresi tra Saturno e Nettuno (quindi a grande distanza dal Sole e appartenenti alla famiglia dei Centauri) sono caratterizzati di solito da orbite caotiche ed instabili, dato che vengono continuamente e fortemente influenzati dalla forza di attrazione gravitazionale di Saturno, Urano e Nettuno.

È viceversa notevolissimo trovare un asteroide che se ne sta lì tranquillo per i fatti suoi, ma con un occhio verso Urano, con la certezza di non avere mai problemi di impatti e distruzioni.

Qualche dettaglio sull’asteroide

Ho il permesso di Archimede Pitagorico di scrivere qualcosa in più: Paperino è andato a fare merenda e non protesterà…

Dalla sua sigla, 2015 OU194, si evince che è stato scoperto nel 2015, osservato per la prima volta dal mitico telescopio Subaru a Maunakea, nelle isole Hawaii e osservato di nuovo un anno dopo: una ricerca nelle immagini in archivio ha esteso come detto le osservazioni a settembre del 2017 e dicembre 2018 in quelle che vengono denominate le “osservazioni pre-scoperta”. Come si fa in questi casi, ma non nei film di fantascienza, tutti i dati osservativi sono stato inviati all’ente unico che gestisce questi informazioni a livello mondiale, il ben noto M.P.C. (Minor Planet Center) che li ha analizzati ed infine convalidati, fornendo agli studiosi di tutto il mondo i parametri orbitali precisi.

Ed è qui che è entrato in gioco il programma SOLEX, che ha permesso agli scienziati di verificare la risonanza con Urano nel corso dell’ampio intervallo di tempo di un milione di anni: ulteriori verifiche più sofisticate erano però lontane dallo scopo che si erano prefissati gli autori.

Verso la fine del documento, lo studio presenta un paio di diagrammi terribili sul quale calo un velo pietoso.

In soldoni

Facciamo un minimissimo di conti (giusto un paio di moltiplicazioni e nulla più) per vedere meglio di cosa abbiamo parlato: 2015 OU194 gira intorno al Sole in 112.67 anni e dunque percorre le sue 3 orbite in 3 x 112.67 anni, difficilissima moltiplicazione di cui la calcolatrice del nostro cellulare fornisce il risultato, 338.01 anni. Anche Paperino le sa fare!

Il periodo orbitale di Urano è invece 84.011 (dato tratto da Wikipedia), che stavolta moltiplicato per 4, fa 336.044 : questo scarto di 2 anni non mi preoccupa più di tanto, perché magari i dati utilizzati (specie quello di Urano) non hanno la stessa precisione ed origine. Trascurando i decimali, facendo banalmente 3 x 112 e 4 x 84, si ottiene 336 in entrambi i casi…

Questo valore così elevato purtroppo non è di facile riscontro sul campo… Trecentotrentasei anni sono tantissimi per avere una verifica effettiva, volendo seguire magari anno dopo anno il comportamento dei due oggetti celesti: davvero improponibile. Dobbiamo dunque fidarci dei dati forniti dai computer e dalle osservazioni.

Ma in Astronomia questa non è certo un’eccezione o qualcosa di insolito: ad esempio il pianeta nano Plutone è stato scoperto nel febbraio 1930 ed ha un periodo orbitale di 247.9 anni. Questo significa che solo nel 1930 + 247.9 anni (cioè nel 2177) si ritroverà nella stessa posizione della sua orbita! E dunque a partire dalla sua scoperta non ha nemmeno completato un’orbita intera.

Invece per il caso dei satelliti di Giove il problema non si pone, dato che il periodo orbitale di Ganimede è di appena 7 giorni e 3 ore, per cui la stessa configurazione orbitale dei tre satelliti si ripresenta continuamente settimana dopo settimana e si può verificare abbastanza facilmente di persona.

I miei amici Archimede Pitagorico e Paperino augurano cieli sereni a tutti.