Ogni sistema di pianeti si forma a partire da un disco di gas e polveri, orbitante attorno a una stella. Questo disco, detto disco protoplanetario, può essere diverso a seconda della composizione, della grandezza della stella e di molte altre caratteristiche.
Nelle regioni più fredde ed esterne di questi dischi, secondo la teoria più accreditata, si formerebbero dei ciottoli ghiacciati (ice pebbles in inglese) che nel tempo si sposterebbero verso l’interno, a causa dell’attrito del disco rotante, e trasporterebbero l’acqua verso i pianeti che si stanno formando nelle regioni interne.
Questa teoria però prevede che quando i ciottoli ghiacciati superano la snow line, il limite oltre il quale il ghiaccio si trasforma in vapore, dovrebbero rilasciare grandi quantità di vapore acqueo.
Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, e in particolare lo strumento MIRI che vede nel medio infrarosso, gli scienziati hanno rilevato questo vapore acqueo, confermando per la prima volta il processo fisico che coinvolge la deriva dei ciottoli ghiacciati dalle regioni esterne a quelle interne dei dischi protoplanetari.
La teoria della deriva di ciottoli
La teoria della deriva di ciottoli in un disco protoplanetario sostiene che i piccoli frammenti rocciosi o ghiacciati in un disco di formazione planetaria si spostino nel corso del tempo verso il centro del disco. Si accumulerebbero poi nelle regioni interne, a causa delle interazioni gravitazionali e della pressione. Questo processo potrebbe fornire una maggiore quantità di materiale solido, come acqua, ai pianeti rocciosi in formazione più vicino alla stella.
La deriva dei ciottoli è però influenzata dalla presenza di pianeti giganti. Essi infatti possono agire come “trappole” gravitazionali, alterando la distribuzione del materiale nel disco e influenzando la formazione planetaria. Perciò, man mano che i ciottoli vanno alla deriva, ogni volta che incontrano un aumento di pressione tendono a raccogliersi lì. Queste “trappole” non bloccano necessariamente la deriva dei ciottoli, ma di certo la condizionano.
Questo è ciò che sembra accadere nei grandi dischi con anelli e spazi vuoti, maggiormente estesi. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato il MIRI per studiare quattro diversi dischi, due compatti e due estesi, attorno a stelle simili al Sole. Si stima che tutte e quattro queste stelle abbiano tra i 2 e i 3 milioni di anni, ovvero siano stelle neonate.
Testando la teoria con MIRI
Le previsioni date dalla teoria dei ciottoli dicono che i due dischi compatti subiranno un’efficiente deriva dei ciottoli, ovvero li trasporteranno ben entro una distanza equivalente all’orbita di Nettuno. Al contrario, si prevede che i dischi estesi tratterranno i loro ciottoli in più anelli fino a sei volte oltre l’orbita di Nettuno.
Le osservazioni di Webb sono state quindi progettate per determinare se i due dischi compatti esaminati presentavano una maggiore abbondanza di acqua nella regione interna. Come previsto se la deriva dei ciottoli è più efficiente. Il team ha scelto di utilizzare l’MRS, lo spettrometro a media risoluzione del MIRI, perché è sensibile al vapore acqueo nei dischi.
L’analisi spettrale dettagliata, effettuata grazie all’alto potere risolutivo di Webb, indica che i dischi protoplanetari compatti contengono acqua estremamente fredda all’interno del limite delle nevi, circa dieci volte più vicino dell’orbita di Nettuno. Ciò conferma quindi la teoria della deriva di ciottoli, e l’implicazione seconda la quale essa sarebbe più efficiente in dischi compatti.
La scoperta suggerisce anche che i grandi pianeti possano causare anelli di maggiore pressione, dove i ciottoli tendono ad accumularsi. Questo potrebbe anche essere stato un ruolo di Giove nel nostro Sistema Solare: inibire il trasporto di ciottoli e acqua verso i nostri piccoli pianeti rocciosi interni. Che infatti, risultano relativamente poveri d’acqua.
L’articolo, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, è reperibile qui.
