Nelle prime fasi della storia del Sistema Solare, un oggetto delle dimensioni di Marte, conosciuto come Theia, avrebbe colpito violentemente la giovane Terra, vaporizzando enormi quantità di roccia e scagliando materiale nello Spazio. Una parte di quei detriti si sarebbe successivamente aggregata fino a formare la Luna. Oggi gli astronomi stanno cercando di comprendere quanto eventi di questo tipo siano comuni nell’evoluzione dei sistemi planetari, osservando direttamente le tracce lasciate da collisioni gigantesche attorno ad altre stelle. Grazie al James Webb Space Telescope, la missione congiunta di NASA, ESA e CSA, un gruppo internazionale di astronomi ha analizzato una particolare classe di sistemi stellari giovani nei quali sono presenti segnali di sconvolgimenti estremi. Le osservazioni permettono di ricostruire non soltanto la composizione del materiale prodotto dagli impatti, ma anche la quantità di energia coinvolta nelle collisioni e il possibile ruolo di questi eventi nella nascita e nell’evoluzione dei pianeti rocciosi. I risultati della ricerca, guidata da Kate Su dello Space Science Institute di Boulder, in Colorado, sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal.
Dalle nubi di gas ai dischi di detriti: come cambia un sistema planetario
L’ambiente che circonda una stella cambia profondamente con il passare del tempo. Nelle fasi più giovani domina un disco protoplanetario ricco di gas, all’interno del quale possono formarsi e crescere i pianeti. Con l’evoluzione del sistema, il gas diminuisce progressivamente e lascia spazio a un disco di detriti, costituito soprattutto da polveri e frammenti prodotti dalle collisioni tra corpi solidi. Durante la sua attività, il telescopio spaziale Spitzer della NASA, oggi non più operativo, aveva studiato questa fase con particolare attenzione, individuando una sottoclasse molto particolare chiamata “dischi di detriti estremi”. Questi sistemi contengono quantità insolitamente elevate di polvere calda molto vicino alla stella, proprio nella regione che, nel nostro Sistema Solare, corrisponde approssimativamente alle orbite dei pianeti rocciosi. La presenza di tanta polvere calda indica che in quelle zone potrebbero essere in corso collisioni particolarmente violente tra embrioni planetari e corpi di grandi dimensioni.
I dischi di detriti estremi sono molto più rari del previsto
Secondo le teorie sulla formazione planetaria, sistemi caratterizzati da collisioni intense e grandi quantità di polvere dovrebbero essere relativamente frequenti durante determinate fasi dell’evoluzione stellare. Le osservazioni mostrano però una realtà differente. Gli scienziati stimano infatti che soltanto circa l’1% delle giovani stelle presenti firme osservabili riconducibili a una fase di disco di detriti estremo, almeno sulla base dei dati raccolti fino a oggi. È possibile che anche il nostro Sistema Solare abbia attraversato una fase simile durante la propria formazione. Nonostante la rarità di questi oggetti, il gruppo di ricerca è riuscito a costruire un campione composto da 21 dischi di detriti estremi. Cinque provengono dagli archivi di Spitzer, mentre altri 16 sono stati studiati attraverso Webb. Di questi ultimi, 12 sono stati osservati per la prima volta, mentre quattro erano sistemi precedentemente esaminati da Spitzer e successivamente sottoposti a nuove osservazioni. Kate Su ha spiegato l’importanza del risultato: “questa è la prima volta che abbiamo raccolto un numero sufficiente di sistemi per comprendere davvero questa sottoclasse che chiamiamo dischi di detriti estremi. Prima di Webb avevamo informazioni limitate. Sapevamo che erano strani e molto diversi dai classici dischi di detriti freddi che conosciamo, come Vega e Fomalhaut. Ora che abbiamo più dati possiamo definire meglio ciò che questi dischi rappresentano per la formazione e l’evoluzione dei pianeti”.
Le tre caratteristiche comuni scoperte da Webb
Le osservazioni effettuate con James Webb e con i dati precedentemente raccolti da Spitzer hanno permesso agli astronomi di individuare tre caratteristiche comuni ai dischi estremi. Questi sistemi contengono innanzitutto granelli di polvere più piccoli rispetto a quelli normalmente osservati nei dischi protoplanetari o nei classici dischi di detriti. Presentano inoltre un’elevata concentrazione di polvere calda e mostrano significative e irregolari variazioni della loro luminosità nel tempo. Queste proprietà sono state rilevate attraverso gli spettri nel medio infrarosso, uno degli strumenti più potenti a disposizione di Webb per determinare la composizione chimica e mineralogica dei materiali presenti attorno alle stelle. Gli astronomi hanno quindi cercato di comprendere quale meccanismo potesse spiegare contemporaneamente la presenza di piccole particelle, la grande quantità di materiale caldo e le rapide variazioni della luminosità infrarossa.
Silice e forsterite rivelano l’energia delle collisioni
La chiave è arrivata dall’analisi della composizione mineralogica dei dischi. I ricercatori hanno scoperto che i 21 sistemi possono essere suddivisi in due grandi categorie: dischi ricchi di silice e dischi poveri di silice. Sulla Terra un esempio di materiale ricco di silice è il vetro vulcanico, come l’ossidiana. Tra i minerali poveri di silice compare invece la forsterite, che può presentarsi anche sotto forma di granelli simili a sabbia verde. La quantità di silice presente nei dischi rappresenta un’importante traccia dell’intensità delle collisioni che hanno generato i detriti. In altre parole, la composizione chimica osservata da Webb permette agli astronomi di ricostruire indirettamente che tipo di impatti siano avvenuti tra i corpi planetari. Agnes Kospal, dell’Osservatorio Konkoly di Budapest e coautrice dello studio, ha sottolineato: “vedere semplicemente la loro emissione nel medio infrarosso e le splendide caratteristiche spettrali con Webb, che ci hanno permesso di identificarne la composizione, è stata per me la cosa più emozionante. Non abbiamo nessun altro modo per studiare direttamente questi embrioni planetari perché sono troppo piccoli”.
Un terzo dei sistemi mostra impatti tra corpi grandi quanto Marte
Circa un terzo del campione analizzato è ricco di silice. Secondo gli astronomi, questa composizione è indicativa di impatti ad altissima energia tra corpi delle dimensioni di Marte, durante i quali una parte considerevole del materiale coinvolto nella collisione viene letteralmente vaporizzata. Si tratta dello scenario che presenta le analogie più interessanti con l’evento che potrebbe avere portato alla formazione della Luna, quando la giovane Terra sarebbe stata colpita da Theia. I restanti due terzi dei sistemi sono invece poveri di silice. In questi casi, le collisioni sembrano avvenire su scale energetiche inferiori e potrebbero coinvolgere corpi delle dimensioni della Luna, impegnati per esempio in collisioni radenti piuttosto che in impatti frontali estremamente distruttivi. La distinzione tra questi due gruppi permette dunque di associare la composizione del materiale osservato nello Spazio alla natura fisica delle collisioni che hanno prodotto i detriti.
I sistemi ricchi di silice appartengono alle stelle più giovani
Un altro risultato particolarmente significativo riguarda l’età delle stelle. I dischi ricchi di silice sono stati individuati esclusivamente attorno a stelle con meno di 300 milioni di anni, mentre quelli poveri di silice compaiono lungo un intervallo di età molto più ampio. La concentrazione dei sistemi ricchi di silice attorno alle stelle più giovani è coerente con i modelli secondo i quali la formazione dei grandi pianeti terrestri avviene principalmente durante le prime centinaia di milioni di anni di vita di un sistema planetario. I dischi poveri di silice, invece, possono continuare a essere presenti anche attorno a stelle più vecchie e tendono a mostrare variazioni di luminosità più intense. Secondo il gruppo di ricerca, queste oscillazioni potrebbero essere causate dalla rapida evoluzione orbitale e collisionale dei nuovi detriti prodotti da impatti multipli.
La storia della Terra potrebbe essere scritta nei dischi osservati da Webb
Le osservazioni possono essere utilizzate anche per comprendere meglio la storia del nostro Sistema Solare, che potrebbe aver attraversato più di una fase caratterizzata da un disco di detriti estremo. Kate Su ha spiegato: “il modo in cui si sono formati i pianeti rocciosi e il modo in cui si sono evoluti i pianeti giganti fanno parte della storia più ampia della formazione del Sistema Solare: è tutto parte di un’unica storia. Il nostro lavoro sui dischi di detriti estremi ci aiuta a ricomporre il quadro generale di ciò che attualmente comprendiamo”. Le simulazioni indicano che pianeti terrestri come la Terra dovrebbero formarsi entro le prime centinaia di milioni di anni dalla nascita di un sistema solare. Questa finestra temporale coincide con l’età dei dischi estremi ricchi di silice identificati finora e risulta compatibile con le stime secondo cui Terra e Luna si sarebbero formate circa 100 milioni di anni dopo la nascita del Sole. La Luna sarebbe stata probabilmente generata proprio in seguito all’impatto tra la Terra primordiale e un corpo delle dimensioni di Marte.
Il possibile legame con il bombardamento tardivo del Sistema Solare
Il quadro diventa ancora più interessante analizzando i dischi poveri di silice osservati attorno a stelle più vecchie. Se questi sistemi e le loro irregolari variazioni di luminosità infrarossa fossero effettivamente collegati a periodi di instabilità orbitale, il fenomeno sarebbe ampiamente compatibile con l’ipotesi del Late Heavy Bombardment, il cosiddetto bombardamento pesante tardivo proposto per spiegare una fase particolarmente intensa di impatti nel giovane Sistema Solare. Secondo questo scenario, i pianeti giganti gassosi avrebbero effettuato significative migrazioni orbitali, modificando attraverso la propria gravità le orbite di numerosi corpi più piccoli. L’instabilità avrebbe quindi innescato collisioni catastrofiche capaci di produrre grandi quantità di polvere per periodi relativamente brevi. Proprio queste fasi temporanee e ricche di detriti potrebbero assomigliare a quelle che Webb sta osservando oggi attorno ad altre stelle.
Webb apre una nuova finestra sulla formazione dei pianeti rocciosi
Lo studio non chiude il dibattito, ma fornisce una base osservativa molto più ampia rispetto al passato per comprendere la natura dei dischi di detriti estremi. Gli stessi ricercatori sottolineano che il numero di sistemi disponibili per alcune fasce di età resta ancora limitato. In particolare sarà necessario verificare se l’assenza di dischi ricchi di silice attorno alle stelle più vecchie venga confermata da campioni futuri più numerosi. Attila Moor, dell’Osservatorio Konkoly e coautore della ricerca, ha spiegato: “naturalmente ci sono ancora molte cose che non sappiamo su questi dischi. Non ci aspettiamo sistemi ricchi di silice tra i dischi di detriti estremi più vecchi. Nel nostro campione abbiamo soltanto tre dischi che rientrano in questi criteri di età, quindi sarà importante osservare un numero maggiore di questi sistemi per confermare la nostra ipotesi”. Le osservazioni di James Webb mostrano così come la composizione microscopica della polvere presente attorno a stelle lontane possa conservare la memoria di collisioni avvenute tra embrioni planetari centinaia di milioni di anni prima. Studiando la silice, la forsterite, la temperatura della polvere e le variazioni della radiazione infrarossa, gli astronomi possono ricostruire la violenza e la natura degli impatti che accompagnano la nascita dei mondi. Eventi che, miliardi di anni fa, potrebbero avere determinato anche l’aspetto definitivo del nostro Sistema Solare, della Terra e della sua Luna.