Un nuovo metodo consente di stimare la massa dei pianeti appena formati osservando gli anelli di polvere presenti nei dischi protoplanetari che circondano le stelle giovani. Lo dimostra uno studio guidato da Amena Faruqi dell’Università di Warwick, con la collaborazione di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e della McMaster University, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal. La tecnica permette di individuare e caratterizzare pianeti ancora immersi nell’ambiente in cui si stanno formando e quindi troppo deboli o nascosti per essere osservati direttamente con gli strumenti attualmente disponibili.
I pianeti nascono all’interno di vasti dischi rotanti composti da gas e polveri che circondano le stelle giovani. Negli ultimi anni, osservatori avanzati come ALMA hanno mostrato che molti di questi dischi presentano strutture concentriche a forma di anello. Da tempo, gli astronomi sospettavano che tali configurazioni fossero legate alla presenza di pianeti in formazione, ma mancavano strumenti affidabili per interpretarle e trasformarle in informazioni quantitative sulle caratteristiche dei corpi nascosti all’interno del disco. Il nuovo studio propone una soluzione a questo problema.
“Questi anelli luminosi non sono semplicemente strutture spettacolari, ma rappresentano vere e proprie impronte digitali dei pianeti“, ha spiegato Amena Faruqi, prima autrice del lavoro e dottoranda presso il gruppo di Astronomia e Astrofisica dell’Università di Warwick. “Da tempo sappiamo che possono essere generati dall’accumulo di polvere appena oltre l’orbita di giovani pianeti immersi nel disco, ma finora non eravamo riusciti a collegare le caratteristiche degli anelli alla massa dei pianeti”.
Lo studio
Attraverso sofisticate simulazioni numeriche, il gruppo di ricerca ha studiato il modo in cui pianeti di massa differente modificano la distribuzione della polvere attorno a sé. I risultati hanno mostrato che la larghezza degli anelli, la posizione del punto di massima luminosità e la quantità di polvere accumulata contengono informazioni dirette sulla massa del pianeta responsabile della loro formazione. In particolare, gli autori hanno identificato una semplice relazione matematica tra la posizione del picco di luminosità dell’anello e la massa del pianeta. Questa relazione rimane valida indipendentemente dalla lunghezza d’onda delle osservazioni e dalle dimensioni dei granuli di polvere analizzati, rendendo il metodo facilmente applicabile a numerosi dati già disponibili.
Il sistema PDS 70 e il programma exoALMA
Per verificare l’affidabilità della procedura, i ricercatori l’hanno applicata al sistema PDS 70, uno dei pochi casi in cui pianeti immersi in un disco protoplanetario sono stati osservati direttamente. La massa ottenuta per il pianeta PDS 70c è risultata in forte accordo con le stime indipendenti già pubblicate. Il metodo è stato inoltre applicato a cinque dischi osservati nell’ambito del recente programma exoALMA, permettendo di formulare nuove stime per pianeti potenzialmente presenti ma non ancora confermati.
“Uno dei punti di forza di questo lavoro è che non rimane confinato alla teoria“, ha sottolineato Jessica Speedie, ricercatrice del MIT e coautrice dello studio. “Siamo riusciti a trasferire direttamente i risultati delle simulazioni ai sistemi osservati. L’analisi del sistema PDS 70 ha fornito una verifica concreta dell’approccio e ci dà fiducia nella possibilità di applicarlo rapidamente su larga scala”.
Un risultato inatteso
Lo studio ha prodotto anche un risultato inatteso. Le simulazioni indicano infatti che i pianeti più massicci possono intrappolare negli anelli di polvere quantità di materiale equivalenti fino a venti volte la massa della Terra. Secondo gli autori, queste concentrazioni potrebbero essere sufficientemente abbondanti da innescare la formazione di nuovi pianeti all’interno degli stessi anelli.
“Le nostre simulazioni confermano le osservazioni di ALMA, ma aprono anche una nuova domanda: perché non osserviamo ancora pianeti appena formati all’interno di queste enormi riserve di polvere e ciottoli?”, ha osservato Ralph Pudritz della McMaster University. “I risultati suggeriscono che il materiale disponibile potrebbe essere abbastanza concentrato da avviare ulteriori processi di formazione planetaria”.
Secondo Farzana Meru, docente del Dipartimento di Fisica dell’Università di Warwick e coautrice dello studio, il nuovo approccio offre agli osservatori uno strumento pratico per collegare direttamente le strutture osservate nei dischi protoplanetari alle proprietà dei pianeti che le generano. L’arrivo di immagini sempre più dettagliate ottenute con ALMA e con le future infrastrutture astronomiche potrebbe consentire di sfruttare pienamente questo metodo per esplorare le prime fasi della formazione dei sistemi planetari e comprendere meglio anche l’origine del Sistema Solare.