Uno strano sistema planetario “capovolto” potrebbe costringere gli astronomi a ripensare a come nascono i mondi.

Nel nostro Sistema Solare, i pianeti si dividono in due grandi gruppi. I pianeti interni, più vicini al Sole, da Mercurio a Marte, sono mondi rocciosi. Più esterni si trovano i pianeti giganti gassosi, da Giove a Nettuno.

Gli astronomi credono da tempo che questa disposizione rifletta uno schema comune in tutto l’Universo. Secondo le principali teorie sulla formazione planetaria, i pianeti rocciosi si formano vicino alla loro stella, mentre i giganti gassosi si sviluppano più lontano, dove le condizioni più fredde permettono la formazione di atmosfere dense. Le osservazioni di molti sistemi planetari hanno generalmente supportato questa idea.

Ma un sistema stellare recentemente studiato, denominato LHS 1903, potrebbe mettere in discussione questa comprensione.

Uno strano sistema planetario attorno a LHS 1903

LHS 1903 è una piccola e fredda nana rossa, nota come nana di tipo M. È meno luminosa e più fredda del nostro Sole. I ricercatori guidati da Thomas Wilson dell’Università di Warwick, nel Regno Unito, hanno combinato le osservazioni di diversi telescopi spaziali e terrestri per esaminare i pianeti in orbita attorno alla stella.

Inizialmente il team ha identificato tre pianeti. Il pianeta più vicino sembrava roccioso, mentre i due successivi apparivano gassosi. Questa disposizione corrispondeva a quanto gli scienziati si aspettavano di osservare.

Successivamente, i ricercatori hanno analizzato i dati del satellite CHaracterising ExOPlanet (CHEOPS) dell’Agenzia Spaziale Europea e hanno scoperto qualcosa di inaspettato. Un quarto pianeta in orbita più distante dalla stella sembrava essere anch’esso roccioso.

“Questo rende il sistema roccioso-gassoso-gassoso-e poi di nuovo roccioso. I pianeti rocciosi di solito non si formano così lontano dalla loro stella madre”, afferma Thomas.

I modelli attuali suggeriscono che i pianeti rocciosi si formano vicino alle stelle perché le intense radiazioni strappano via il gas che circonda i nuclei planetari in via di sviluppo. Più lontano, le temperature più basse permettono al gas di accumularsi in atmosfere dense, creando pianeti gassosi giganti.

Maximilian Günther, scienziato del progetto Cheops dell’ESA, afferma che la scoperta evidenzia quanto ancora gli scienziati non comprendano sulle origini dei pianeti.

“Molti aspetti della formazione e dell’evoluzione dei pianeti rimangono ancora un mistero. Trovare indizi come questo per risolvere questo enigma è proprio ciò che Cheope si era prefissato di fare.”

Gli scienziati mettono alla prova le possibili spiegazioni

I ricercatori non hanno concluso immediatamente che le teorie esistenti sulla formazione planetaria fossero errate. Hanno invece esplorato la possibilità che altri eventi potessero spiegare l’insolito sistema.

Una possibilità era che il pianeta roccioso più esterno avesse un tempo posseduto una spessa atmosfera, successivamente spazzata via da una collisione con un asteroide massiccio, una cometa o un altro oggetto di grandi dimensioni. Un’altra ipotesi era che i pianeti potessero aver cambiato posizione nel corso del tempo.

Utilizzando simulazioni e calcoli del comportamento orbitale dei pianeti, il team ha escluso tali spiegazioni.

La loro indagine ha invece indicato una possibilità più insolita. I pianeti attorno a LHS 1903 potrebbero non essersi formati simultaneamente. Piuttosto, potrebbero essersi sviluppati uno dopo l’altro.

Secondo le teorie standard, i pianeti si formano all’interno di giganteschi dischi di gas e polvere chiamati dischi protoplanetari. Diversi embrioni planetari emergono all’incirca nello stesso momento e si evolvono gradualmente nel corso di milioni di anni fino a diventare pianeti completi.

In questo sistema, tuttavia, i ricercatori ritengono che la stella possa aver prodotto i suoi pianeti in sequenza anziché tutti in una volta. Gli scienziati hanno proposto questa idea, nota come formazione planetaria dall’interno verso l’esterno, circa dieci anni fa, ma fino ad ora le prove a suo sostegno erano limitate.

Un pianeta roccioso nato tardi

La scoperta diventa ancora più intrigante perché il pianeta roccioso esterno potrebbe essersi formato in condizioni molto diverse rispetto ai mondi vicini.

“Quando questo pianeta esterno si è formato, il sistema potrebbe aver già esaurito il gas, considerato vitale per la formazione planetaria. Eppure ecco un piccolo mondo roccioso che sfida ogni aspettativa. Sembra che abbiamo trovato la prima prova dell’esistenza di un pianeta formatosi in quello che definiamo un ambiente povero di gas”, afferma Thomas.

Questo insolito pianeta roccioso potrebbe rappresentare una rara anomalia cosmica, oppure potrebbe rivelare una tendenza più ampia che gli astronomi non hanno ancora individuato. In entrambi i casi, gli scienziati affermano che il sistema non può essere facilmente spiegato utilizzando solo le teorie attuali.

Ripensare la formazione dei pianeti

“Storicamente, le nostre teorie sulla formazione dei pianeti si basano su ciò che osserviamo e sappiamo del nostro Sistema Solare”, sottolinea Isabel Rebollido, attualmente ricercatrice presso l’ESA. “Con l’aumento del numero di sistemi esoplanetari che stiamo scoprendo, stiamo iniziando a riconsiderare queste teorie.”

Con il progressivo potenziamento dei telescopi, gli astronomi continuano a scoprire sistemi planetari sempre più insoliti in tutta la galassia. Questi mondi misteriosi stanno costringendo i ricercatori a riconsiderare le ipotesi sulla formazione e l’evoluzione dei pianeti.

Questi risultati potrebbero anche ridefinire il modo in cui gli scienziati concepiscono il nostro Sistema Solare. Anziché rappresentare un modello universale, la sua struttura ordinata potrebbe essere solo un esempio tra le tante configurazioni planetarie estremamente diverse presenti nel cosmo.

Abstract strutturato

INTRODUZIONE

Sono stati osservati migliaia di esopianeti, il che ha permesso di studiare le tendenze demografiche e demografiche a livello di popolazione. È stato dimostrato che esiste una carenza di esopianeti con raggi compresi tra 1,6 e 1,8 volte il raggio della Terra, nota come “valle del raggio”. La posizione della valle del raggio varia con il periodo orbitale del pianeta e la massa stellare, il che potrebbe fornire informazioni su come si forma. Per i pianeti in orbita attorno a stelle nane rosse (nane M) di bassa massa, i modelli teorici proposti per spiegare la valle del raggio includono meccanismi di perdita di massa termica (T-DML), che causano la fuga dell’atmosfera da un pianeta, o processi di formazione impoverita di gas (G-DF) che limitano la disponibilità di materiale gassoso nel disco protoplanetario in cui si forma il pianeta.

MOTIVAZIONE

Le teorie sulla formazione e l’evoluzione planetaria prevedono la composizione (rocciosa o gassosa) dei pianeti di piccole dimensioni. Lo scenario T-DML prevede che gli esopianeti con periodi orbitali più lunghi abbiano atmosfere più estese rispetto ai pianeti più vicini alle loro stelle ospiti, a causa degli effetti della fotoevaporazione e del riscaldamento generato dal nucleo. Questa previsione è coerente con la teoria della formazione di pianeti ricchi di gas, derivata da principi primi. Al contrario, lo scenario G-DF prevede che i pianeti con periodi orbitali più lunghi dovrebbero essere rocciosi, a causa della scarsità di gas nelle regioni esterne del disco protoplanetario. Queste previsioni possono essere verificate misurando la densità di massa degli esopianeti in un intervallo di periodi orbitali per determinarne la composizione. Se si identificano corpi adatti in sistemi multiplanetari, l’effetto delle differenze di massa e attività della stella ospite viene eliminato. Abbiamo identificato quattro pianeti in orbita attorno alla stella nana di tipo M LHS 1903 e abbiamo effettuato osservazioni di follow-up per determinarne le proprietà.

RISULTATI

Combinando i dati di fotometria di transito e di velocità radiale, abbiamo determinato che i quattro pianeti (LHS 1903 b, c, d ed e) hanno periodi orbitali rispettivamente di 2,2, 6,2, 12,6 e 29,3 giorni e raggi pari a 1,4, 2,0, 2,5 e 1,7 volte il raggio terrestre. I pianeti si trovano nella posizione prevista della valle del raggio. Le densità di massa e un’analisi della struttura interna indicano che LHS 1903 b è roccioso, mentre i pianeti c e d sono ricchi di gas. Il pianeta più esterno, LHS 1903 e, risulta essere povero di gas. Ciò ci ha permesso di distinguere tra gli scenari T-DML e G-DF, che prevedono composizioni diverse per questo pianeta.

CONCLUSIONE

La composizione di LHS 1903 b, c e d può essere spiegata sia dallo scenario T-DML che da quello G-DF. LHS 1903 e non è compatibile con il modello T-DML, a causa della mancanza di un’atmosfera estesa, ma è coerente con il modello G-DF. Proponiamo che le proprietà di questo sistema a quattro pianeti possano essere spiegate da un meccanismo di formazione “dall’interno verso l’esterno”, in cui il pianeta interno si è formato per primo e ha innescato la formazione del pianeta successivo, con gli altri che seguono in sequenza. Questo percorso di formazione potrebbe essersi verificato se ci fosse stata una rapida migrazione di materiale all’interno del disco protoplanetario, causando l’impoverimento di gas del disco esterno (nella posizione in cui si è formato il pianeta e). Il confronto con le simulazioni di formazione planetaria ha indicato che LHS 1903 e si è formato in un ambiente più povero di gas rispetto ai pianeti c e d. Concludiamo che LHS 1903 e si è formato secondo lo scenario G-DF.