Secondo la Teoria Nebulosa, stelle e i loro sistemi planetari si formano quando una massiccia nuvola di gas e polvere (una nebulosa) subisce un collasso gravitazionale al centro, formando una nuova stella. Il materiale rimanente della nebulosa poi forma un disco attorno alla stella da cui, infine, si accresceranno pianeti, lune e altri corpi (un disco protoplanetario). Questo è il modo in cui la Terra e i molteplici corpi che compongono il Sistema Solare si sono uniti circa 4,5 miliardi di anni fa, stabilendosi infine nelle loro attuali orbite (dopo alcune migrazioni e collisioni).
Tuttavia, c’è ancora dibattito su alcuni dettagli del processo di formazione dei pianeti. Da un lato, ci sono coloro che aderiscono al modello tradizionale “dal basso verso l’alto”, in cui i granelli di polvere si accumulano gradualmente in conglomerati sempre più grandi nel corso di decine di milioni di anni. Dall’altro lato, abbiamo il modello “dall’alto verso il basso”, in cui il materiale del disco circumstellare nelle braccia spiraliformi si frammenta a causa dell’instabilità gravitazionale. Utilizzando l’Array di Millimetri/Submillimetri di Atacama (ALMA), un team internazionale di astronomi ha trovato evidenze del modello “dall’alto verso il basso” osservando un disco protoplanetario situato a oltre 500 anni luce di distanza.
Il team era guidato da Jessica Speedie, una candidata al dottorato in astronomia e astrofisica presso l’Università di Victoria. Era affiancata da colleghi dell’Istituto Kavli di Astronomia e Astrofisica (KIAA-PKU), del Centro di Fisica Simulazionale (CSP-UGA), dell’Istituto di Astronomia di Cambridge, del Centro di Ricerca Astrofisica di Lione (CNSA-CRAL), dell’Istituto di Astronomia e Astrofisica (ASIAA), del Dipartimento di Scienze della Terra, Atmosferiche e Planetarie (MIT EAPS), dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ), dell’Osservatorio Austral Europeo (ESO) e di diverse università e osservatori.
Il documento che dettaglia la loro ricerca, “Instabilità gravitazionale in un disco di formazione planetaria,” è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature. Situato nel deserto di Atacama nelle Ande cilene, ALMA è il più grande telescopio radio del mondo dedicato allo studio delle parti dell’Universo che altrimenti sarebbero invisibili agli astronomi. Questo include nuvole di polvere fredda nello spazio, dischi protoplanetari e alcune delle prime galassie dell’Universo, che sono visibili solo a lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche. Utilizzando ALMA, Speedie e i suoi colleghi hanno osservato il disco protoplanetario ben caratterizzato attorno ad AB Aurigae, un giovane sistema stellare (4 milioni di anni) situato a circa 530 anni luce dalla Terra.
La stella è una stella di tipo A pre-sequenza principale (blu-bianca) circa 2,5 volte più grande del nostro Sole e circa 2,4 volte più massiccia. A partire dal 2017, gli scienziati di ALMA hanno iniziato a osservare il disco protoplanetario della stella per scoprire di più sulla formazione dei pianeti nei sistemi stellari giovani. Da allora, gli astronomi hanno osservato diversi pianeti protoplanetari in via di sviluppo formarsi nel disco di AB Aurigae, così come un gigante gassoso nove volte la massa di Giove che è stato confermato nel 2022. Questi appaiono come grumi all’interno delle braccia spiraliformi del disco protoplanetario, ruotando in senso antiorario attorno alla stella.
La rilevazione di questi corpi attorno a una stella così giovane ha sollevato dubbi sul processo “dal basso verso l’alto”. Secondo questo modello, questi protopianeti non avevano quasi abbastanza tempo per diventare così grandi come sono. Insieme al suo relatore di dottorato Ruobing Dong, Speedie e il loro team erano determinati a studiare come il gas nelle vaste braccia spiraliformi del sistema si stava muovendo. La sensibilità di ALMA e l’alta risoluzione di velocità sono stati cruciali per questo compito e hanno permesso al team di sondare il gas in profondità nel disco e misurarne il movimento con precisione.
La Dott.ssa Cassandra Hall, Professoressa Assistente di Astrofisica Computazionale all’Università della Georgia, è stata anche co-autrice della ricerca. Quattro anni fa, Hall ha guidato uno studio in cui lei e i suoi colleghi (che includevano Dong e altri membri del team di Speedie) hanno simulato come si sarebbe comportato un disco instabile gravitazionalmente. Come indicò in un comunicato stampa della NRAO:
“I dischi che sono instabili gravitazionalmente dovrebbero avere delle ‘ondulazioni’ distintive nel loro campo di velocità, a differenza dei dischi stabili. Torniamo al 2020, quando abbiamo eseguito alcune delle simulazioni più avanzate al mondo per prevedere l’esistenza di questa firma caratteristica dell’instabilità gravitazionale. Era chiaro, era verificabile, ed era un po’ spaventoso: se non l’avessimo trovata, allora qualcosa doveva andare molto, molto storto nella nostra comprensione di questi dischi.”
Le braccia spiraliformi si formano in un disco protoplanetario quando il rapporto di massa disco-stella è sufficientemente alto. Col passare del tempo, i cambiamenti di densità portano a variazioni nella gravità, che causano variazioni nelle velocità del gas nelle braccia spiraliformi e nei loro dintorni. Queste variazioni di velocità sono visibili come “ondulazioni”, e l’ampiezza può essere usata per dedurre il rapporto di massa tra la stella ospite e il materiale nel suo disco. Utilizzando l’array di antenne a onde radio di ALMA, Speedie e il suo team hanno mappato la velocità degli isotopi di monossido di carbonio all’interno delle braccia spiraliformi del disco e hanno cercato indicazioni delle “ondulazioni” previste.
Queste misurazioni hanno prodotto un “cubo di dati” rettangolare tridimensionale che mappava la velocità e la posizione del gas all’interno del disco protoplanetario lungo la linea di vista dell’osservatorio. Come è consuetudine per le misurazioni di interferometria di ALMA, i dati sono stati divisi in “fette” (o tagli strategicamente orientati), consentendo a Speedie e al suo team di identificare in modo conclusivo l’ondulazione di velocità che indica instabilità gravitazionale. Questo costituisce la prima conferma osservativa diretta che il percorso “dall’alto verso il basso” nella formazione dei pianeti è corretto.
Inoltre, indica che i sistemi planetari potrebbero formarsi molto più rapidamente di quanto si pensasse in precedenza, il che potrebbe avere importanti implicazioni per l’astrogeologia e la ricerca sugli esopianeti. Come spiegato da Speedie, il lavoro di Hall, la sensibilità di ALMA e i prodotti di alta qualità che ha creato per loro hanno reso possibile questa scoperta:
“Questa è una classica storia scientifica di ‘l’abbiamo previsto, e poi l’abbiamo trovato’. Il marchio distintivo dell’instabilità gravitazionale. Abbiamo lavorato con una delle osservazioni più profonde di ALMA effettuate con tale alta risoluzione di velocità verso un singolo disco protoplanetario fino ad oggi. I dati di ALMA forniscono una chiara diagnosi dell’instabilità gravitazionale in azione. Non conosciamo nessun altro meccanismo che possa creare l’architettura globale della struttura a spirale e dei modelli di velocità che osserviamo.”
Nel prossimo futuro, Speedie e i suoi colleghi pianificano di continuare a utilizzare ALMA per imparare di più su come si formano i sistemi planetari attorno a stelle giovani. Come parte del programma ambasciatori ALMA della NFS/NRAO, Speedie sta formando, insieme ad altri studenti post-dottorato e astronomi alle prime armi, per condividere le risorse e le capacità di ALMA con la comunità astronomica più ampia.