Sfruttando le osservazioni del radiointerferometro ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), un gruppo di ricercatori ha sviluppato una nuova tecnica per misurare peso ed età degli esopianeti in orbita a giovani stelle.

Quando questi pianeti esterni al Sistema Solare ruotano a grande distanza dalla loro stella d’origine, la loro identificazione per osservazione diretta è praticamente impossibile, così come la loro caratterizzazione. Osservando però delle perturbazioni simili ad uragani nel disco circumstellare che avvolge le giovani stelle, è possibile stabilire dei limiti di massa ed età degli esopianeti. Questo permette di comprendere le proprietà dei probabili pianeti in orbita e il loro processo di formazione.

Due diversi articoli, pubblicati nel Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, descrivono il metodo sviluppato da Roman Rafikov, professore presso l’Università di Cambridge, e il suo dottorando Nicolas Cimerman. L’obbiettivo della ricerca è di determinare i limiti di massa ed età degli esopianeti responsabili della formazione dei vortici nel disco.

La formazione degli uragani nei dischi circumstellari

Una giovane stella è avvolta da un disco di gas e polveri. Secondo un processo noto come core accretion, le particelle di questa struttura si aggregano per effetto della gravità, dando vita a oggetti più massivi, come asteroidi e pianeti. La presenza di questi oggetti all’interno del disco circumstellare è visibile grazie al cosiddetti gaps (dall’inglese “buchi”) che si formano nella struttura ad anello, osservati anche da ALMA.

Oltre a queste tracce, i dati ad alta risoluzione del telescopio hanno permesso d’identificare delle strutture ad arco, interpretabili come concentrazioni di polvere, nelle zone limitrofe alle lacune scavate dai pianeti. Così come i gaps, anche queste potrebbero essere dovute dalla presenza di un pianeta.

Tra le spiegazioni più intriganti riguardo la presenza di questi archi c’è un meccanismo che prevede la formazione di vortici di polvere innescati da una instabilità ai bordi dei gaps. Questa instabilità è nota come Rossby Wave Instability (RWI). I vortici, simili a piccoli uragani, durante l’evoluzione del sistema planetario possono fondersi dando origine a strutture di dimensioni maggiori formando gli archi o grumi che appaiono nelle osservazioni di ALMA. Durante la formazione di un pianeta attorno ad una giovane stella, la regione attorno a cui il pianeta orbita viene via a via ripulita. All’interno della lacuna, la densità è inferiore rispetto a quella al di fuori del gap. Questa differenza di densità, continuando ad aumentare, innesca la RWI che perturba il disco e produce i vortici.

Anche pianeti di una massa relativamente piccola, come un decimo della massa di Giove, possono formare buchi visibili all’interno del disco. Grazie allo studio di Rafikov e Cimerman, è stato possibile definire dei limiti di massa, e anche di età, degli ipotetici pianeti localizzati a grandi distance dalla stella che causano questi piccoli uragani nel disco.

Limiti di massa dei pianeti responsabili dei vortici

Il metodo sviluppato da Rafikov e il suo dottorando si basa su dei calcoli teorici sulla misura del tempo necessario per la produzione di un vortice, causata dalla formazione di un pianeta nel disco. Più è massivo il pianeta, minore sarà il tempo richiesto per innescare l’instabilità che da vita ai vortici a causa della maggiore gravità del pianeta. Questo valore temporale è utile per stabilire la massa e l’età del pianeta responsabile della formazione di un vortice ai bordi del gap. Parliamo in particolare delle tecniche note col nome inglese di “vortex weighing” e “vortex dating“, ossia rispettivamente pesatura e datazione a vortice.

Per quanto riguarda la vortex weighing, conoscendo l’età della stella centrale, è possibile stabilire un limite minimo sulla massa del pianeta. Questo calcolo in particolare si basa su due considerazioni:

• L’età del sistema planetario, assunta come nota, è ovviamente maggiore di quella del pianeta in formazione.
• La presenza di vortici osservati implica che l’età del pianeta è maggiore al tempo necessario per la produzione di questi vortici da parte dell’instabilità innescata dalla formazione del pianeta stesso.

Per i dischi osservati da ALMA, il valore di questo limite minimo di massa è compreso tra le 30 e le 50 masse terrestri. Si tratta dunque di pianeti classificabili come super-Nettuniani. Tra i dischi osservati dai ricercatori di Cambridge ci sono ad esempio quelli delle stelle HD 135344B e HD 36112, entrambe giovani stelle caratterizzate da dischi protoplanetari.

Una stima dell’età planetaria

Se la massa di un pianeta in formazione fosse già nota grazie a tecniche di modelling dell’atmosfera, per un pianeta visibile, o misurazioni dinamiche indirette, sarebbe possibile definire un limite sull’età planetaria. Tuttavia, per i pianeti responsabili dei vortici osservati da ALMA queste informazioni non sono abbastanza accurate.

Una buona stima dell’età di un esopianeta risulta molto utile per diverse ragioni. Infatti permetterebbe di:

• Comprendere il tempo necessario al pianeta per formarsi a partire dalle polveri e il gas del disco circumstellare.
• Controllare la consistenza delle caratteristiche di un pianeta durante la sua evoluzione, come temperatura e luminosità. Infatti, l’età di un pianeta incide su entrambe queste grandezze.

In ogni caso, dagli studi condotti da Rafikov e Cimerman non definiscono un valore di età planetaria vincolante al momento. Per migliorarlo infatti è necessario definire un valore massimo della massa del pianeta in esame più accurato, attraverso osservazioni dirette del corpo. Queste ultime però sono complesse soprattutto per piccoli pianeti lontani dalla stella centrale al sistema a cui appartengono.

Per ulteriori approfondimenti, gli articoli scientifici che parlano di questo studio sono reperibili ai seguenti link:

• Roman R. Rafikov, Nicolas P. Cimerman. Vortex weighing and dating of planets in protoplanetary discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
• Nicolas P. Cimerman, Roman R. Rafikov. Emergence of vortices at the edges of planet-driven gaps in protoplanetary discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.