Dolci - La nascita del Sistema Solare

XIX SCUOLA ESTIVA DI ASTRONOMIA DI STILO
«Influenze astronomiche sulla Terra»
La nascita del Sistema Solare
M. Dolci
INAF Osservatorio Astronomico di Teramo
Stilo (RC), giovedì 24 luglio 2014
Riassunto del nostro Sistema Planetario
Fascia
principale
Fascia di
Kuiper
Riassunto del nostro Sistema Planetario
Marte
Venere
Mercurio
Giove
Saturno
Urano
Terra
Nettuno
Plutone
Pianeti interni e pianeti esterni
Composizione
Nickel
Ferro
Idrogeno
Silicati
Elio
Carbonio
Idrogeno
Acqua
Ossigeno
Carbonio
...
Azoto
...
Un po’ di storia…
Dall’Antichità a Galileo e Newton
Nell’Antichità non esiste il concetto di Sistema Solare e quindi non ne
esiste una cosmogonia, che invece è del «mondo». La Terra (al centro), i
sette pianeti e le stelle fisse sono immutabili ed eterni.
La preoccupazione dei filosofi non è dunque capire l’origine dei
«pianeti», ma comprendere cosa governa il loro movimento.
Dall’Antichità a Galileo e Newton
Le cose cominciano a cambiare con Copernico (De Revolutionibus
Orbium Coelestium), quindi con Keplero e Galileo…
Dall’Antichità a Galileo e Newton
…e infine con Newton il quale, nel
suo Philosophiae Naturalis Principia
Mathematica (1687) espone, e
formalizza matematicamente, le leggi
fisiche che governano l’universo.
Da questo momento esiste, ed è
descrivibile,
l’evoluzione
della
Natura: nulla è immobile ed
immutabile, tutto si evolve, ed in
particolare ha avuto una origine non
mitologica.
Da Newton alla metà del Novecento
Georges Buffon – Teoria della cometa (1745)
«La collisione radente di una cometa sulla superficie del Sole ha
causato l’espulsione di materiale e la conseguente formazione dei
pianeti.»
È il primo tentativo di proporre una teoria «fisica» sulla nascita del
Sistema Planetario.
La consistenza della teoria verrà confutata nel 1796 da Pierre-Simon de
Laplace (Exposition du Système du Monde) che dimostra
analiticamente che il materiale espulso avrebbe dovuto rimanere in
orbita ravvicinata al Sole ed eventualmente ricadere su di esso.
Da Newton alla metà del Novecento
Georges Buffon – Teoria della cometa (1745)
Va inoltre detto che un simile scenario avrebbe comportato anche
l’esistenza di almeno una cometa di dimensioni del tutto incompatibili
con quanto si è sempre osservato.
A tale riguardo, però, la teoria di Buffon è stata ripresa ai primi del
Novecento da Arrhenius (1901) e Jeffreys (1929) i quali hanno ipotizzato
la collisione tra due stelle.
Da Newton a metà del Novecento
Verso l’ipotesi nebulare
René Descartes (1596 – 1650) ipotizza l’esistenza di un fluido universale
che presenta dei vortici intorno alle stelle. I pianeti si formano
all’interno d questi vortici.
Immanuel Kant (1755), usando la Meccanica newtoniana, dimostra che
una nube in contrazione tende a schiacciarsi su un disco.
William Herschel (1791) osserva alcune nebulose diffuse ed in
particolare una di esse appare come un evidente alone intorno ad una
stella.
Prende dunque piede l’ipotesi di una nube primordiale da cui ha avuto
origine il Sistema Solare.
Da Newton alla metà del Novecento
Pierre Simon del Laplace – Ipotesi nebulare (1796)
Una nube gassosa sferica in rotazione collassa in un disco.
La dinamica del gas fa sì che durante il collasso avvenga, in
modo «spasmodico» rilascio di materiale indietro, verso le
regioni esterne, con la formazione di anelli. Questi portano
infine alla condensazione dei pianeti.
Da Newton alla metà del Novecento
I problemi dell’ipotesi nebulare
Il principale problema dell’ipotesi di Laplace è legato alla distribuzione
del Momento Angolare nella configurazione finale.
Non c’è un efficace trasporto di momento angolare dalle regioni centrali
verso l’esterno, cosicché il Sole dovrebbe avere una veloce rotazione ed
i pianeti dovrebbero addirittura aver avuto difficoltà a formarsi.
J. C. Maxwell, rifacendosi alla sua dissertazione che gli valse
l’Adam’s Prize nel 1856 (On the Stability of the Motion of
Saturn’s Rings), dimostrò che il disco previsto da Laplace
non può essere stabile, a meno che non sia composto
– anziché da gas – da una miriade di piccoli corpi.
Da Newton alla metà del Novecento
Raffinamenti dell’ipotesi nebulare
Nel 1854 E. Roche, per risolvere il problema del trasferimento di
momento angolare, ipotizzò che la nube fin dal’inizio possa aver avuto
una forte condensazione centrale (un proto-sole) che dunque possedeva
gran parte del momento angolare totale.
Durante la contrazione, la regione centrale rilasciava dietro di sé gli
anelli di materia alla base della condensazione planetaria.
Nel 1919 J. Jeans osservò che tuttavia, proprio in virtù della elegante
teoria gravitazionale sviluppata da Roche, per poter condensare gli
anelli dovevano avere una densità non inferiore alla densità media
della nube.
Si reintroduceva quindi, in modo fastidiosamente circolare, il problema
della distribuzione di momento angolare nel prodotto finale del
collasso della nube !
Da Newton alla metà del Novecento
Chamberlin & Moulton (1890, 1900) – Teoria planetesimale
Nella versione originaria del 1890, i
pianeti si formano da planetesimi
al di fuori della nube (che prosegue
indipendentemente nel suo
collasso a formare la stella
centrale).
Successivamente (1900), per
giustificare l’origine dei
planetesimi stessi, si suppone che
essi siano stati espulsi dal Sole,
sotto forma di «sbuffi di materia»,
in seguito al passaggio ravvicinato
di un’altra stella.
La teoria ha trovato accoglienza
fino al 1915 circa.
Da Newton alla metà del Novecento
Jeans & Jeffreys (1916+) – Teoria mareale
Jeans & Jeffreys raffinano l’ipotesi
di Chamberlin e Moulton,
ipotizzando che il passaggio molto
ravvicinato di una stella (entro il
limite di Roche) porta alla quasidistruzione mareale del Sole e al
distacco di un «braccio» di materia
solare sul quale condensano poi i
pianeti.
Come la precedente, anche questa
ipotesi, oltre che basarsi su una
occorrenza molto rara, ha diversi
problemi di Dinamica.
Da Newton alla metà del Novecento
Schmidt & Lyttleton (1944, 1961) – Teoria dell’accrescimento
Il Sole, nel suo moto intorno al
centro galattico, attraversa una
nube oscura di polveri e cattura
materiale.
Per la prima volta si parla
esplicitamente di gas e polveri.
La teoria tuttavia soffre di numerosi
problemi legati alla velocità del Sole
nella parte di Galassia in cui si
trova e alle temperature in gioco.
Da Newton alla metà del Novecento
C. F. Von Weizsäcker (1944) – Teoria dei vortici
Ritorna l’idea del disco protoplanetario ma con un pattern di vortici
indotti dalla turbolenza.
Da Newton alla metà del Novecento
Con una opportuna combinazione di moti orari e antiorari dei vortici,
nelle zone di confine tra di essi si instaura un regime kepleriano.
Si creano quindi delle zone «cuscinetto», che fungono da punti di
accumulazione di materiale.
Il materiale così accumulato forma degli anelli da cui si condensano
infine i pianeti.
Da Newton alla metà del Novecento
Critiche alla Teoria dei vortici
La maggiore critica riguarda la formazione di una struttura perfettamente
ordinata da un fenomeno (la turbolenza) altamente caotico.
Quando nell'aldilà avrò l'opportunità di interrogare il
Creatore, gli voglio chiedere due cose: perché la relatività e
perché la turbolenza. Almeno sulla prima spero di ottenere
una risposta.
Werner Heisenberg
Premio Nobel per la Fisica 1932
Riassunto fino agli anni ‘60…
• Teorie monistiche (Laplace, Von Weizsäcker)
• Teorie dualistiche (Buffon, Chamberlin, Jeans, Schmidt…)
Quadro generale:
- Nube Primordiale con disco protoplanetario
- Iniziale condensazione centrale di gas
- Successivo accrescimento planetario da planetesimi
Problemi aperti:
- Distribuzione della Massa originaria
- Distribuzione del Momento Angolare originario
- Formazione dei pianeti e dei satelliti
La Teoria Protoplanetaria di McCrea (1960,1988)
Descrive in generale la formazione di un ammasso galattico,
partendo da un nube composta per l’1% da polvere e per il
resto da H ed He.
La stella centrale e i pianeti si formano simultaneamente.
Il gas è in regime turbolento supersonico: le onde d’urto
generano i flocculi, regioni di gas compresso che si muovono
in un ambiente a minor densità, aventi masse tipiche
dell’ordine di 100 MTERRA .
I flocculi determinano la condensazione finale in pianeti.
La teoria spiega molti fatti osservati, ma non la sostanziale
planarità del Sistema Solare.
L’ipotesi della Solar Nebula (Cameron, 1973)
Disco composto per l’1-2% da polvere e per il resto da gas,
con temperatura decrescente all’aumentare della distanza
dalla condensazione centrale.
In tali condizioni, a d > 5 UA (Giove) si creano le condizioni
per il collasso secondo il criterio di Jeans: si formano nuclei
che accrescono gas, e quindi i pianeti giganti.
I pianeti terrestri si formano invece per accrescimento da
planetesimi (100 m – 10 km).
Tempi di formazione brevissimi (105 anni).
Un modello gerarchico permette di applicare la teoria anche
alla formazione dei satelliti dei pianeti giganti.
Criterio di Jeans
Descrive le condizioni affinché una nube interstellare, di una
certa massa, densità, composizione chimica e temperatura,
inizi a collassare:
𝑴𝑱 =
𝟑𝟕𝟓(𝒌𝑻)𝟑
𝟒𝝅𝑮𝟑 𝝁𝟑 𝝆
A parità di T, , , la nube collassa se M > MJ .
A parità di M, la nube collassa se T < TJ e/o  > J e/o  > J .
Collasso «locale» di una nube
Collasso «locale» di una nube
Collasso «locale» di una nube
IRAS, HST: dischi protoplanetari
Fomalhaut
Domande & (forse) Risposte
• Perché il Sole ?
• Perché il Sistema Solare ?
• Perché la separazione tra
pianeti rocciosi/piccoli e
gassosi/giganti ?
• Qual è l’origine della Nube
Primordiale ?
• Perché la Fascia Principale ?
• Perché la Fascia di Kuiper ?
• Perché la Nube di Oort ?
Solar Nebula Theory
(formazione)
Supernova
preesistente
Dinamica del Sistema Solare
successiva alla formazione
IL CAMMINO VERSO LA SCOPERTA
DEI PIANETI EXTRASOLARI…
1984  Pictoris (disco di materia)
1989 HD114762 (nana bruna compagna)
1991 PSR 1257+12 (due pianeti)
1992  Cephei (oscillazioni stellari)
1995 51 Pegasi !
M. Mayor & D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a
solar-type star, Nature 378, 355-359 (23 Nov 1995)
… A PASSI DA GIGANTE
27 Giugno 2013
906 pianeti identificati
in 700 sistemi planetari
(di cui 134 con più di un pianeta)
+ 192 in corso di studio
in 168 sistemi (di cui 18 multipli)
(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)
… A PASSI DA GIGANTE
27 Giugno 2013
906 pianeti identificati
in 700 sistemi planetari
+ 192 in corso di studio
in 168 sistemi (di cui 18 multipli)
(di cui 134 con più di un pianeta)
(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)
+
> 3200 candidati dalla
Missione Spaziale Kepler !
… A PASSI DA GIGANTE
24 Luglio 2014
1811 pianeti identificati + 200 in corso di studio
in 1126 sistemi planetari
(di cui 466 con più di un pianeta)
in 178 sistemi (di cui 18 multipli)
(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia – exoplanets.eu)
KEPLER
(2009 – 2016  2013?)
KEPLER
- Telescopio spaziale con specchio primario da 1.4 m
- Fotometro per la ricerca di transiti extrasolari da pianeti di
tipo terrestre intorno a stelle di sequenza principale
- Ricerca nel piano galattico, nelle regioni del Cigno, della
Lira e del Drago
- Lanciato nel 2009, missione prolungata fino al 2016
- Guasto ad un giroscopio (maggio 2013): fine missione ?
- Oltre 3400 transiti candidati in una piccola regione di cielo
Proiezioni statistiche:
1) almeno 1/3 delle stelle della Via Lattea -circa 80 miliardipotrebbero avere sistemi planetari;
2) nella Via Lattea potrebbero esistere oltre 15 miliardi di
pianeti di tipo terrestre.
Declinazione (gradi)
Un cielo pieno di sistemi planetari
Orione
Ascensione retta (ore)
Triangolo Estivo
Grande Carro
KEPLER
La stragrande maggioranza dei pianeti finora scoperti
si trova entro 100 anni-luce dal Sole
SOLE
ALFA-CEN
4,3 a.-l.
SIRIO
8,6 a.-l.
 70 anni-luce
Stelle «famose» con pianeti…
Stella
RA
DEC
D (pc)
M (MJ)
T (d)
a (UA)
Anno
 Ari (Hamal)
02h 07m 10s
+23° 27′ 44″
20,2
1,8
380,8
1,2
2011
 Cen B
14h 39m 35s
-60° 50′ 15″
1,3
0,0036
3,2357
0,04
2012
 PsA
(Fomalhaut)
22h 57m 39s
-29° 37′ 20″
7,704
2
320000
115
2008
 Gem (Polluce)
07h 45m 18s
+28° 01′ 34″
10,34
2,9
589,64
1,69
2006
 Pic
05h 47m 17s
-51° 03′ 59″
19,3
7,0
7300
8,5
2008
 Leo A (Algieba)
10h 19m 58s
+19° 50′ 29″
38,5
8,78
428,5
1,19
2009
 Cep A (Alrai)
23h 39m 20s
+77° 37′ 56″
13,79
1,85
903,3
2,05
2003
 CrB
15h 57m 35s
+26° 52′ 40″
67,9
6,7
417,9
1,3
2012
 Eri
03h 32m 55s
-09° 27′ 29″
3,2
1,55
2502
3,39
2000
Sistemi Planetari extrasolari
1. Quattro tipologie di pianeti scoperti o ipotizzati:
• Hot Jupiters, pianeti giganti molto vicini alla stella madre;
• Earth-like (pianeti rocciosi di tipo terrestre);
• Super-Terre, pianeti di tipo roccioso aventi massa
compresa tra quella terrestre e quella di Nettuno;
• Pianeti-oceano, con grande prevalenza di acqua allo stato
liquido (profondità centinaia di Km).
Sistemi Planetari extrasolari
2. Sostanziale assenza di pianeti giganti intorno stelle con
sistemi
3. Super-Terre presenti pressoché in tutti i sistemi, con
percentuale tra 30% ed il 100% , e maggiore nei sistemi
compatti.
GLIESE 581 – Un caso davvero interessante
Gliese 581
(distanza  20 anni-luce)
6 pianeti ?
Nome
Gliese 581 e
T (giorni)
3.15
d (UA)
Note
0.03 (massa terrestre)
Gliese 581 b
5.4
0.04
Gliese 581 c
13
0.07
(roccioso ?)
Gliese 581 g
36.6
0.14
(terrestre abitabile ?)
Gliese 581 d
66.8
0.21
(abitabile ?)
Gliese 581 f
433
0.74
Sistemi Planetari extrasolari
4. Nessuno dei Sistemi Esoplanetari appare simile al Sistema
Solare
5. Si sta aprendo un nuovo paradigma per le teorie sulla
formazione ed evoluzione dei sistemi planetari (le nostre
conoscenze, relativamente al Sistema Solare, sono
probabilmente errate perché troppo specifiche).
6. Definitiva conferma (se ce ne fosse stato bisogno) che la
legge di Titius-Bode non esiste.
CONCLUSIONI
1. L’osservazione delle caratteristiche «grossolane» dei
pianeti, nel corso dei secoli passati, ha permesso di
accumulare conoscenza, al di là della plausibilità dei
«Sistemi del Mondo» di volta in volta proposti.
2. Dopo Galileo e Newton, grazie allo sviluppo della tecnica
osservativa e dei metodi analitici della Meccanica Celeste,
sono stati elaborati modelli a supporto di diverse Teorie
sulla Formazione del Sistema Solare.
3. La scoperta di Dischi Protoplanetari intorno ad altre stelle
ha dato ulteriore supporto a queste teorie.
4. Nessuna di esse è tuttavia in grado di spiegare tutte le
caratteristiche del nostro Sistema Solare.
CONCLUSIONI
5. La scoperta dei pianeti extrasolari e, successivamente, di
un numero crescente di Sistemi Esoplanetari ha messo in
evidenza che il nostro Sistema Solare è decisamente
diverso da tutti quelli finora osservati.
6. In particolare, appare evidente che la struttura del Sistema
Solare come la conosciamo oggi è il risultato non solo di
un complesso processo di formazione, ma anche di una
complessa evoluzione dinamica e chimica avvenuta in
epoca successiva.
7. La ricerca prosegue, con un impulso che non ha
precedenti. E con, sullo sfondo, la ricerca della vita…
Grazie per la
vostra attenzione !