I piccoli “uragani” che si formano nei dischi di gas e polvere attorno alle giovani stelle possono essere usati per studiare certi aspetti della formazione dei pianeti, anche per i pianeti più piccoli che orbitano attorno alla loro stella a grandi distanze e sono fuori dalla portata della maggior parte dei telescopi.

I ricercatori dell’Università di Cambridge e dell’Institute for Advanced Study hanno sviluppato una tecnica che utilizza le osservazioni di questi “uragani” dell’Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA) per porre dei limiti alla massa e all’età dei pianeti in un giovane sistema stellare.

Nubi di gas simili a frittelle, polvere e ghiaccio che circondano giovani stelle– noti come dischi protoplanetari – sono dove inizia il processo di formazione dei pianeti. Attraverso un processo noto come accrescimento del nucleo, la gravità fa sì che le particelle nel disco aderiscano l’una all’altra, formando alla fine corpi solidi più grandi come asteroidi o pianeti. Man mano che si formano, i giovani pianeti iniziano a scavare dei buchi nel disco protoplanetario, come solchi su un disco in vinile.

Anche un pianeta relativamente piccolo, piccolo come un decimo della massa di Giove secondo alcuni calcoli recenti, potrebbe essere in grado di creare tali lacune. Poiché questi pianeti “super-Nettuno” possono orbitare attorno alla loro stella a una distanza maggiore di quella in cui Plutone orbita attorno al Sole, i metodi tradizionali di rilevamento degli esopianeti non possono essere utilizzati.

Oltre ai solchi, le osservazioni di ALMA hanno mostrato altre strutture distinte nei dischi protoplanetari, come archi e ciuffi a forma di banana o arachide. Si pensava che almeno alcune di queste strutture fossero guidate anche da pianeti.

“Qualcosa deve causare la formazione di queste strutture”, ha affermato l’autore principale, il professor Roman Rafikov del Dipartimento di matematica applicata e fisica teorica di Cambridge e dell’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. “Uno dei possibili meccanismi per produrre queste strutture, e certamente il più intrigante, è quello particelle di polvere che vediamo come archi e grumi sono concentrati nei centri di vortici fluidi: essenzialmente piccoli uragani che possono essere innescati da una particolare instabilità ai bordi delle lacune scavate nei dischi protoplanetari dai pianeti.

Lavorare con il suo dottorato di ricerca. studente Nicolas Cimerman, Rafikov ha utilizzato questa interpretazione per sviluppare un metodo per limitare la massa o l’età di un pianeta se si osserva un vortice in un disco protoplanetario. I loro risultati sono stati accettati per la pubblicazione in due articoli separati nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

“È estremamente difficile studiare pianeti più piccoli che sono lontani dalla loro stella immaginandoli direttamente: sarebbe come cercare di individuare una lucciola davanti a un faro”, ha detto Rafikov. “Abbiamo bisogno di altri metodi diversi per conoscere questi pianeti”.

Per sviluppare il loro metodo, i due ricercatori hanno prima calcolato teoricamente il tempo necessario per produrre un vortice nel disco da parte di un pianeta. Hanno quindi utilizzato questi calcoli per vincolare le proprietà dei pianeti nei dischi con vortici, fissando sostanzialmente limiti inferiori alla massa o all’età del pianeta. Chiamano queste tecniche “pesatura del vortice” e “datazione del vortice” dei pianeti.

Quando un pianeta in crescita diventa abbastanza massiccio, inizia a spingere via il materiale dal disco, creando il vuoto rivelatore nel disco. Quando ciò accade, il materiale all’esterno della fessura diventa più denso del materiale all’interno della fessura. Man mano che il divario diventa più profondo e le differenze di densità diventano grandi, può essere innescata un’instabilità. Questa instabilità perturba il disco e alla fine può produrre un vortice.

“Nel tempo, più vortici possono fondersi insieme, evolvendosi in un’unica grande struttura che assomiglia agli archi che abbiamo osservato con ALMA”, ha affermato Cimerman. Poiché i vortici hanno bisogno di tempo per formarsi, i ricercatori affermano che il loro metodo è come un orologio che può aiutare a determinare la massa e l’età del pianeta.

“I pianeti più massicci producono vortici prima nel loro sviluppo a causa della loro maggiore gravità, quindi possiamo usare i vortici per porre alcuni vincoli sulla massa del pianeta, anche se non possiamo vedere il pianeta direttamente”, ha detto Rafikov.

Utilizzando vari punti dati come spettri, luminosità e movimento, gli astronomi possono determinare l’età approssimativa di una stella. Con queste informazioni, i ricercatori di Cambridge hanno calcolato la massa più bassa possibile di un pianeta che avrebbe potuto essere in orbita attorno alla stella da quando si è formato il disco protoplanetario ed è stato in grado di produrre un vortice che poteva essere visto da ALMA. Questo li ha aiutati a porre un limite inferiore alla massa del pianeta senza osservarlo direttamente.

Applicando questa tecnica a diversi dischi protoplanetari noti con archi prominenti, suggestivi di vortici, i ricercatori hanno scoperto che il presunto pianeti la creazione di questi vortici deve avere masse di almeno diverse decine di masse terrestri, nella gamma del super-Nettuno.

“Nel mio lavoro quotidiano, mi concentro spesso sugli aspetti tecnici dell’esecuzione delle simulazioni”, ha affermato Cimerman. “È emozionante quando le cose si uniscono e possiamo usare le nostre scoperte teoriche per imparare qualcosa sui sistemi reali”.

“I nostri vincoli possono essere combinati con i limiti forniti da altri metodi per migliorare la nostra comprensione delle caratteristiche planetarie e dei percorsi di formazione dei pianeti in questi sistemi”, ha affermato Rafikov. “Studiando la formazione dei pianeti in altri sistemi stellari, potremmo imparare di più su come si è evoluto il nostro sistema solare”.