Un’illustrazione mostra un esopianeta in orbita attorno alla sua stella. Gli scienziati hanno utilizzato i dati del telescopio spaziale cacciatore di pianeti della NASA, “Kepler”, ormai in pensione, per scoprire che i mondi piccoli e grandi hanno origini molto diverse. Il team ha scoperto che i pianeti più grandi con orbite non circolari sono più propensi a crescere in sistemi domestici più turbolenti. Per giungere a questa conclusione, il team ha studiato le orbite di migliaia di pianeti extrasolari, o “esopianeti”. Il team, composto da ricercatori dell’Università della California, Los Angeles (UCLA), ha misurato le orbite di esopianeti con masse che vanno da quella di Giove a quella di Marte.
È emerso che i pianeti più piccoli tendono ad avere orbite quasi circolari, mentre i pianeti giganti più grandi hanno orbite appiattite, o ellittiche. Questa sarebbe stata una scoperta importante di per sé, ma poiché gli scienziati possono dedurre molte informazioni su un pianeta dalla sua orbita, la scoperta rivela anche informazioni su come si formano i pianeti di diverse dimensioni. “Quello che abbiamo scoperto è che proprio intorno alle dimensioni di Nettuno, i pianeti passano dall’avere quasi sempre orbite circolari all’avere molto spesso orbite ellittiche”, ha dichiarato in un comunicato il capo del team e ricercatore della UCLA, Gregory Gilbert.
Pianeti grandi eccentrici hanno origini caotiche. Durante il suo periodo operativo tra il 2009 e il 2018, Kepler ha osservato circa 150.000 stelle, cercando i piccoli cali di luce causati quando un pianeta attraversa, o “transita”, il volto della sua stella, visto dalla nostra prospettiva nel cosmo. Utilizzando questa tecnica e raccogliendo le curve di luce da queste stelle, Kepler ha scoperto migliaia di esopianeti. Il team della UCLA ha esaminato 1.600 di queste curve di luce per estrarre informazioni sulle orbite di determinati pianeti. Questo processo ha richiesto molta cura, lo sviluppo di un kit di strumenti di visualizzazione personalizzato e l’ispezione manuale di ciascuna curva di luce da parte della studentessa universitaria della UCLA, Paige Entrica. “Se le stelle si comportassero come noiose lampadine, questo progetto sarebbe stato 10 volte più facile”, ha detto il membro del team Erik Petigura, professore di fisica e astronomia della UCLA. “Ma il fatto è che ogni stella e la sua collezione di pianeti hanno le loro peculiarità individuali, ed è stato solo dopo aver esaminato ciascuna di queste curve di luce che abbiamo fiducia nei nostri risultati.”
Questa analisi meticolosa ha rivelato la divisione tra pianeti con orbite circolari e quelli con orbite più eccentriche. Sembrava esserci un’abbondanza di pianeti piccoli rispetto ai pianeti grandi e una tendenza per i pianeti giganti a formarsi attorno a stelle arricchite di elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio, come ossigeno, carbonio e ferro, che gli astronomi chiamano collettivamente “metalli”. “I pianeti piccoli sono comuni; i pianeti grandi sono rari. I pianeti grandi hanno bisogno di stelle ricche di metalli per formarsi; i pianeti piccoli no”, ha spiegato Gilbert. “I pianeti piccoli hanno basse eccentricità, e i pianeti grandi hanno grandi eccentricità.”
Vedere una correlazione tra l’eccentricità delle orbite planetarie e l’abbondanza di metalli ha indicato al team che ci sono due percorsi di formazione planetaria, uno seguito dai pianeti grandi e uno seguito dai pianeti piccoli. “Vedere una transizione nelle eccentricità delle orbite in questo stesso punto ci dice che c’è davvero qualcosa di molto diverso nel modo in cui si formano questi pianeti giganti rispetto a come si formano i pianeti piccoli come la Terra”, ha detto Gilbert. “Questa è davvero la scoperta principale che emerge da questo studio.”
Attualmente, gli scienziati teorizzano che i pianeti nascano in nubi a forma di ciambella di gas e polvere chiamate “dischi protoplanetari”. Questi dischi protoplanetari circondano stelle neonate e danno origine a mondi man mano che frammenti sempre più grandi all’interno dei dischi si incontrano e si fondono. Questo processo potrebbe formare un pianeta terrestre delle dimensioni e della massa della Terra, ma se si forma un grande nucleo planetario di circa 10 volte la massa del nostro pianeta, può accumulare gas, creando un gigante gassoso come Giove o Saturno. Si pensa che i pianeti più grandi delle dimensioni di Nettuno siano piuttosto rari perché è necessaria una rapida “accrezione di massa incontrollata” per accumulare una grande quantità di gas. Questo accade più frequentemente attorno a stelle arricchite di metalli. È probabile, suggeriscono gli scienziati, che i pianeti grandi con orbite eccentriche possano sperimentare processi di formazione più caotici mentre interagiscono gravitazionalmente con i loro pianeti fratelli per trovarsi su orbite non circolari. Questi pianeti “agitano” i loro sistemi planetari, causando più turbolenze. Questo porta a collisioni e fusioni tra pianeti più grandi della Terra, creando più pianeti grandi. “È straordinario ciò che siamo stati in grado di apprendere sulle orbite dei pianeti attorno ad altre stelle utilizzando il telescopio spaziale Kepler”, ha detto Petigura. “Il telescopio è stato chiamato così in onore di Johannes Kepler, che, quattro secoli fa, fu il primo scienziato ad apprezzare che i pianeti nel nostro sistema solare si muovono su orbite leggermente ellittiche piuttosto che circolari. La sua scoperta fu un momento importante nella storia umana perché dimostrò che il sole, piuttosto che la Terra, era al centro del sistema solare. “Sono sicuro che Kepler, l’uomo, sarebbe felice di sapere che un telescopio a lui intitolato ha misurato le forme sottili delle orbite dei pianeti delle dimensioni della Terra attorno ad altre stelle.”
La ricerca del team è stata pubblicata il 13 marzo sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.