Negli ultimi anni, gli astronomi hanno affinato tecniche in grado di misurare con estrema precisione il contenuto di metalli nelle stelle. Con questa capacità, hanno potuto esaminare stelle di origine comune per analizzare le differenze di metallicità tra di loro. Alcuni di questi sistemi stellari co-natali mostrano differenze marcate nella composizione metallica.
Nuove ricerche indicano che le stelle che inghiottono pianeti rocciosi sono responsabili di queste discrepanze.
Le stelle co-natali nascono all’interno della stessa nube molecolare gigante (GMC), ma non necessariamente in rapporto binario tra loro. Ci si aspetta che queste stelle abbiano metallicità molto simili, anche se nessuna GMC è totalmente omogenea e piccole differenze sono comuni tra le stelle che si formano insieme. Tuttavia, quando le differenze sono evidenti, deve esserci una spiegazione alternativa.
Un nuovo studio intitolato “Inquinamento metallico in stelle simili al Sole a seguito della distruzione di pianeti a periodo ultra-breve” suggerisce che i pianeti rocciosi siano la fonte di queste discrepanze. I ricercatori provengono dall’Università Northwestern e dall’Università di Cornell, e l’argomento è stato pubblicato su arxiv.org in attesa della revisione nei giornali della AAS.
“Studi dettagliati sulla composizione chimica tra coppie di stelle co-natali—stelle con una origine comune—rivelano abbondanze differenziali inaspettatamente elevate tra elementi refrattari,” nota lo studio. Gli autori si riferiscono a questo fenomeno come inquinamento, simile a quanto accade nelle nane bianche. La fonte di questo inquinamento sono i pianeti rocciosi, che sono ricchi di metallo.
I pianeti extra-solari a periodo ultra-breve (USP) orbitano molto vicino ai loro soli e completano un’orbita in poche ore. Presentano composizioni simili alla Terra e raramente superano due raggi terrestri. Le loro origini non sono chiare; potrebbero essersi formati più distanti e poi aver migrato verso il loro sole, oppure potrebbero essere i resti di pianeti molto più grandi che hanno perso la loro atmosfera a causa dell’irraggiamento stellare.
Questa rappresentazione artistica mostra una stella che strappa l’atmosfera di un pianeta. Crediti immagine: NASA/GSFC
I pianeti USP non sono molto comuni: soltanto circa il 0,5% delle stelle simili al Sole li possiede. Sono estremamente caldi, quindi le loro superfici sono fuse, e sono bloccati marealmente dai loro soli.
Sebbene non siano comuni, potrebbero formarsi in numero maggiore e poi essere consumati dalle loro stelle.
“I pianeti extra-solari a periodo breve possono essere vulnerabili alla distruzione mareale e all’ingestione da parte delle stelle che li ospitano,” affermano i ricercatori. La ricerca dimostra che tra il 3 e il 30% delle stelle co-natali, di sequenza principale, simili al Sole (FGK) hanno inghiottito pianeti rocciosi compresi tra 1 e 10 masse terrestri.
Ci sono diversi modi in cui ciò può accadere. “Esistono molte forme di evoluzione dinamica violenta nei sistemi planetari, ognuna capace di iniettare un pianeta nella stella,” asseriscono i ricercatori. Tuttavia, le evidenze mostrano che, al massimo, circa il 2% delle stelle FGK singole vengono inquinate da tutti i meccanismi violenti combinati.
Gli astronomi hanno proposto tre scenari principali in cui le stelle possono inghiottire pianeti USP.
Uno di questi è la migrazione ad alta eccentricità (high-e). In questo scenario, un proto-USP si avvicina molto al suo sole e assume un’eccentricità elevata. A causa della sua vicinanza al sole e della sua attrazione gravitazionale, il pianeta perde rapidamente la sua eccentricità e adotta un’orbita circolare.
Un altro scenario è la migrazione a bassa eccentricità (low-e). In questo caso, l’USP migra verso il suo sole in modo più lento. La migrazione a bassa eccentricità si verifica in sistemi compatti con tre o più pianeti, il che aiuta a moderare la sua eccentricità.
Il noto sistema TRAPPIST-1 è un esempio di sistema multi-planeta compatto. Crediti immagine: NASA/JPL-Caltech – Catalo, Dominio pubblico
Il terzo scenario è la migrazione guidata dall’obliquità. Qui, un pianeta compagno dell’USP eccita l’obliquità dell’USP e lo cattura in una risonanza secolare spin-orbita. L’USP migra rapidamente verso il suo sole, ma la migrazione termina quando l’USP sfugge alla risonanza.
Gli autori hanno sviluppato un modello per prevedere il numero di USPs che si formano e il tempo necessario affinché vengano inghiottiti. Il loro modello può riprodurre sia l’osservato basso numero di USPs attorno a stelle simili al Sole sia la loro metallicità inquinata. I risultati favoriscono lo scenario di migrazione a bassa eccentricità in cui gli USP fanno parte di sistemi multi-planeta compatti.
“Riteniamo che l’ingestione degli USP sia una conseguenza naturale dello scenario di migrazione a bassa eccentricità. Pertanto, una connessione tra gli USP e i pianeti rocciosi inghiottiti nelle stelle simili al Sole sembra plausibile,” si legge nello studio.
I risultati indicano che gli USP possono essere inghiottiti tra 0,1 e 1 miliardo di anni dopo la loro formazione. Se questa ingestione è la principale fonte di inquinamento nelle stelle simili al Sole, gli autori affermano che esiste una correlazione tra inquinamento e sistemi multi-planeta compatti. “Circa il 5-10% delle stelle inquinate dovrebbe avere un pianeta transito di massa ? 5M? e periodo ~ 4-12 giorni,” chiariscono. Prevedono anche l’opposto: dovrebbe esserci una anti-correlazione tra l’occorrenza di USP e inquinamento.
Gli autori sottolineano alcune considerazioni riguardo ai loro risultati.
I segni di inquinamento metallico possono svanire nel tempo. I metalli possono sedimentare nella stella, facendo sparire il segnale. A seconda di quanto questo avvenga, potrebbe significare che la nostra comprensione di quante stelle siano inquinate non è accurata. Potrebbe significare che più del 30% delle stelle simili al Sole sono inquinate.
Quando una stella consuma un pianeta, modifica la propria metallicità, che gli astronomi chiamano inquinamento. Ma il segnale proveniente dall’inquinamento può svanire mentre i metalli affondano nella stella. Crediti immagine: Osservatorio Internazionale Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani
La seconda considerazione è che meccanismi più violenti potrebbero iniettare pianeti nelle loro stelle. La dispersione tra pianeti potrebbe spingere i pianeti verso l’ingestione, specialmente le Super-Terre rocciose. Tuttavia, gli autori spiegano che “troviamo che solo ~ 1% delle stelle possono essere inquinate attraverso la distruzione violenta delle super-Terre, nonostante la loro ubiquità come esopianeti.”
Il loro ultimo punto riguarda i Giovanni Caldi (HJs). Questi pianeti gasosi orbitano molto vicino ai loro soli. Gli astronomi ritengono che gli HJs vengano distrutti dall’ingestione durante la vita di sequenza principale delle loro stelle. Gli HJs condividono anche una simile frequenza di occorrenza con gli USP attorno a stelle simili al Sole. È pertinente chiedersi se contribuiscano all’osservato inquinamento metallico.
Questa illustrazione mostra un esopianeta di massa gioviana che si avvicina pericolosamente al suo sole. Se dovessero essere inghiottiti, potrebbero produrre una firma diversa sulla stella rispetto a un pianeta roccioso. Crediti immagine: C. Carreau / ESA.
Gli autori affermano che è possibile che la migrazione ad alta eccentricità possa guidare gli HJs all’ingestione stellare. Tuttavia, indicano anche che ci sono buone ragioni per dubitare di ciò. “Ancora, un HJ inghiottito potrebbe non produrre una firma chimica simile a quella di un pianeta roccioso: le masse e le metallicità degli HJs variano ampiamente,” scrivono. Tutto l’idrogeno e l’elio negli HJs potrebbero anche diluire i metalli extra. Inoltre, la rottura mareale degli HJs potrebbe non portare direttamente all’ingestione. È possibile che il trasferimento di massa riduca l’HJ a un residuo di Super-Terra composto dal nucleo originale e da un’atmosfera residua.
È necessario approfondire lo studio prima di comprendere come gli HJs possano contribuire all’inquinamento stellare.
I risultati mostrano anche che una stella di sequenza principale può formare solo un USP durante la sua vita di sequenza principale, quindi solo uno può essere inghiottito. In un sistema compatto, solo il pianeta più interno può subire abbastanza decadimento mareale da diventare un USP.
Nella loro conclusione, gli autori affermano che le stelle che ospitano USP dovrebbero avere età e cinematiche simili a quelle delle stelle del campo della Via Lattea e raramente dovrebbero mostrare segni di precedenti ingestioni planetarie. Concludono anche che le stelle FGK inquinate dovrebbero ospitare sistemi multi-pianeta compatti.