Le teorie cosmogoniche

Le teorie cosmogoniche
Fabio Bianco
Alfonso Veropalumbo
Angela Vitale
Punti del discorso:
• Le prime teorie e i loro limiti
– Teoria di Kant-Laplace
– Teoria di Buffon-Moulton
• Le moderne teorie:
– Contrazione della nube primordiale
– Formazione planetaria
• Il problema del momento angolare
– Ipotesi delle T-Tauri e del vento solare
– Riscontri sperimentali
La cosmogonia è il ramo
dell’astronomia che studia l’origine del
sistema solare
• TEORIE NEBULARI
• TEORIE MAREALI
La teoria di Kant-Laplace
Esempio di ipotesi nebulare
• nebulosa avente un moto
rotatorio, da cui si
formano sia il Sole che i
pianeti
• inizio della contrazione
• espulsione in più fasi di
anelli di materia dal
protosole
• condensazione degli
anelli in planetesimi
La teoria di Buffon-Moulton
Esempio di ipotesi catastrofista
• formazione del Sole
dalla nube
• passaggio ravvicinato
di un’altra stella
• fuoriuscita del
materiale solare
• condensazione e
formazione dei pianeti
Una buona teoria deve essere in grado di
spiegare:
• la complanarietà e circolarità delle orbite planetarie;
• il verso antiorario di rivoluzione dei pianeti,
coincidente col verso della rotazione solare e la
rotazione antioraria dei pianeti (esclusi Venere e
Urano);
• la cessione del momento angolare del Sole;
• le differenze strutturali tra pianeti terrestri e gioviani;
• la somiglianza tra sistema solare e sistemi di satelliti
attorno ai pianeti gioviani;
• la legge di Titius-Bode;
• le caratteristiche degli altri sistemi planetari.
Principali limiti della Kant-Laplace
1. Un anello di materiale gassoso si condensa in
un gran numero di piccole particelle e non in
planetesimi (Maxwell)
2. Non spiega completamente il problema del
trasferimento del momento angolare dal Sole
ai pianeti
Principali limiti della Buffon-Moulton
1. Bassissima probabilità di
passaggio ravvicinato di
una stella
2. Cattura del materiale
estratto dal Sole da parte
della stella di passaggio
Verso una nuova teoria…
I modelli successivi sviluppano la teoria
nebulare di Kant-Laplace e possono
essere raggruppati in due classi :
• I modelli della nebulosa di grande massa di Cameron: il
disco protoplanetario ha massa pari a circa 1 M, di cui
l’85% viene spazzato via dal vento solare ed il restante
15% interagisce gravitazionalmente col protosole per poi
formare i pianeti.
• I modelli della nebulosa di piccola massa di Safronov ed
Hayashi: il disco protoplanetario ha massa di 0.01 M, la
quale contribuisce interamente alla formazione
planetaria.
Vincoli alla costruzione di un modello di
formazione planetaria
Nell’ambito della teoria nebulare si ammette che:
1. la nascita del Sistema solare risale a 4,55 miliardi
di anni fa (dallo studio di meteoriti e rocce lunari)
2. il processo di formazione è stato “breve” ed è
durato circa 100 milioni di anni
3. la formazione del protosole è contemporanea a
quella dei pianeti
Contrazione della nube
La nube primordiale inizia a risentire
del collasso gravitazionale.
Diminuendo r, diminuisce I. Poiché
L=costante, si ha
un aumento della velocità
angolare e della forza centrifuga,
che porta alla formazione di un
disco protoplanetario. Il campo
magnetico rallenta il processo
Le disomogeneità nel disco
iniziano a collassare formando
strutture sempre più dense
Si sta formando il protosole
Inizia l’azione di vento stellare
da parte del protosole
Il vento protosolare ripulisce le zone
più interne (pianeti terrestri) del disco
protoplanetario e confina il gas nelle
regioni più esterne (pianeti giganti)
Si formano i planetesimi che si
differenziano nei pianeti esterni
ed interni
I pianeti si collocano nelle loro
orbite attuali
Densità materiale nel disco
Andamento di densità nel disco
gas
Roccia e ghiaccio
Roccia
3U.A.
(Linea del ghiaccio)
T(r)=631K x r-0.77AU
Distanza dal proto-sole
per r=3AU
T=273K
La formazione dei planetesimi
Condensazione
e coagulazione
1 micron
Collisioni ed
attrazione
gravitazionale
10 km
Interazione
fra
gli
embrioni (il più grande
cattura gli altri)
10000 km
La formazione dei pianeti, crescita dagli
embrioni, runaway accretion
• Una volta che i grani sono abbastanza grandi da
avere un campo gravitazionale sufficientemente
intenso, il ritmo di accrescimento cresce ancora di
più (quando la sezione di urto effettiva S > R2, ove
R è il raggio di un frammento )
• I modelli numerici suggeriscono che i primi oggetti
di grande taglia che si possono formare hanno le
dimensioni di alcuni km
Crescita per
collisioni

Crescita
dinamica

Planetesimi
Embrioni
Dagli embrioni ai pianeti
Planetesimi

Protopianeti

Pianeti
La fase finale nella crescita da planetesimi a
pianeti di tipo terrestre è violenta e drammatica
Grandi pianeti embrionali delle dimensioni di
Mercurio produrranno oggetti come Venere,
Marte e la Terra
Questo tipo di dinamica richiede impatti di corpi
di grandi dimensioni
Il problema del momento angolare
Nonostante il Sole contenga il 99.85% della massa
del Sistema Solare, quello che si osserva è che
il momento angolare totale è così distribuito:
• l'85.7%, risiede nel moto orbitale di Giove e
Saturno;
• il 13.4% nel moto orbitale degli altri pianeti;
• lo 0.5% nel moto di rotazione del Sole;
• meno dello 0.5% del momento angolare totale è
associato al moto orbitale del Sole attorno al
centro di massa del Sistema Solare.
Ipotesi sul trasferimento del
momento angolare: fase T-Tauri
Nelle stelle giovani
come il protosole si
osserva una forte
perdita di massa
associata ad
un'intensa attività
magnetica e quindi
un forte decremento
del periodo di
rotazione, come nelle
stelle del tipo T-Tauri.
Ipotesi sul trasferimento del
momento angolare: vento solare
Una stella rotante,
dotata di vento stellare e
di un forte campo
magnetico iniziale, tende
a diminuire la sua
rotazione per un effetto
di "frenamento" dovuto
al flusso delle particelle
del vento solare che
lasciano il sistema lungo
le linee di forza del
campo magnetico.
Confronto con i sistemi extrasolari
Sistema planetario in formazione nella Nebulosa di Orione
Misurando la velocità di rotazione è stato osservato che nelle
stelle degli ultimi tipi spettrali (da F a M) essa è dell’ordine di
1 km/s; nei primi tipi spettrali è di 100 km/s: questa differenza
indica una cessione del momento angolare da parte delle
stelle F-M, probabilmente al sistema planetario.
Riscontri sperimentali:
I sistemi planetari
extrasolari
sono stati scoperti
attorno a stelle di
piccola massa e classe
spettrale avanzata
Sommando al momento angolare di queste stelle il
contributo dei loro pianeti, la posizione dell’intero sistema
nel grafico log10(L/M)- log10(M/M) rispetta la stessa legge di
potenza delle stelle di massa maggiore, come è dimostrato
nel caso del Sistema Solare.