XIX SCUOLA ESTIVA DI ASTRONOMIA DI STILO

«Influenze astronomiche sulla Terra»

La nascita del Sistema SolareM. Dolci

INAF Osservatorio Astronomico di Teramo

Stilo (RC), giovedì 24 luglio 2014

Fascia principale

Fascia di Kuiper

Riassunto del nostro Sistema Planetario

Riassunto del nostro Sistema Planetario

Giove

Saturno

Urano

Nettuno

Plutone

Marte

Terra

Venere

Mercurio

Pianeti interni e pianeti esterni

Composizione

Nickel

Ferro

Silicati

Carbonio

Idrogeno

Ossigeno

...

Idrogeno

Elio

AcquaCarbonio

Azoto

...

Un po’ di storia…

Dall’Antichità a Galileo e Newton

Nell’Antichità non esiste il concetto di Sistema Solare e quindi non neesiste una cosmogonia, che invece è del «mondo». La Terra (al centro), isette 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 RevolutionibusOrbium Coelestium), quindi con Keplero e Galileo…

Dall’Antichità a Galileo e Newton

…e infine con Newton il quale, nelsuo Philosophiae Naturalis PrincipiaMathematica (1687) espone, eformalizza matematicamente, le leggifisiche che governano l’universo.

Da questo momento esiste, ed èdescrivibile, l’evoluzione dellaNatura: nulla è immobile edimmutabile, tutto si evolve, ed inparticolare ha avuto una origine nonmitologica.

Da Newton alla metà del Novecento

Georges Buffon – Teoria della cometa (1745)

«La collisione radente di una cometa sulla superficie del Sole hacausato l’espulsione di materiale e la conseguente formazione deipianeti.»

È il primo tentativo di proporre una teoria «fisica» sulla nascita delSistema Planetario.

La consistenza della teoria verrà confutata nel 1796 da Pierre-Simon deLaplace (Exposition du Système du Monde) che dimostraanaliticamente che il materiale espulso avrebbe dovuto rimanere inorbita 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 anchel’esistenza di almeno una cometa di dimensioni del tutto incompatibilicon quanto si è sempre osservato.

A tale riguardo, però, la teoria di Buffon è stata ripresa ai primi delNovecento da Arrhenius (1901) e Jeffreys (1929) i quali hanno ipotizzatola collisione tra due stelle.

Da Newton a metà del Novecento

Verso l’ipotesi nebulare

René Descartes (1596 – 1650) ipotizza l’esistenza di un fluido universaleche presenta dei vortici intorno alle stelle. I pianeti si formanoall’interno d questi vortici.

Immanuel Kant (1755), usando la Meccanica newtoniana, dimostra cheuna nube in contrazione tende a schiacciarsi su un disco.

William Herschel (1791) osserva alcune nebulose diffuse ed inparticolare una di esse appare come un evidente alone intorno ad unastella.Prende dunque piede l’ipotesi di una nube primordiale da cui ha avutoorigine 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, inmodo «spasmodico» rilascio di materiale indietro, verso leregioni esterne, con la formazione di anelli. Questi portanoinfine 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 distribuzionedel Momento Angolare nella configurazione finale.Non c’è un efficace trasporto di momento angolare dalle regioni centraliverso l’esterno, cosicché il Sole dovrebbe avere una veloce rotazione edi pianeti dovrebbero addirittura aver avuto difficoltà a formarsi.

J. C. Maxwell, rifacendosi alla sua dissertazione che gli valsel’Adam’s Prize nel 1856 (On the Stability of the Motion ofSaturn’s Rings), dimostrò che il disco previsto da Laplacenon 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 dimomento angolare, ipotizzò che la nube fin dal’inizio possa aver avutouna forte condensazione centrale (un proto-sole) che dunque possedevagran parte del momento angolare totale.Durante la contrazione, la regione centrale rilasciava dietro di sé glianelli di materia alla base della condensazione planetaria.

Nel 1919 J. Jeans osservò che tuttavia, proprio in virtù della eleganteteoria gravitazionale sviluppata da Roche, per poter condensare glianelli dovevano avere una densità non inferiore alla densità mediadella nube.

Si reintroduceva quindi, in modo fastidiosamente circolare, il problemadella distribuzione di momento angolare nel prodotto finale delcollasso della nube !

Da Newton alla metà del Novecento

Chamberlin & Moulton (1890, 1900) – Teoria planetesimale

Nella versione originaria del 1890, i pianeti si formano da planetesimial 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 quasi-distruzione 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 HeisenbergPremio 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

𝟒𝝅𝑮𝟑𝝁𝟑𝝆

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 ?

Solar Nebula Theory(formazione)

• Qual è l’origine della Nube Primordiale ?

Supernova preesistente

• Perché la Fascia Principale ?• Perché la Fascia di Kuiper ?• Perché la Nube di Oort ?

Dinamica del Sistema Solare successiva alla formazione

IL CAMMINO VERSO LA SCOPERTA

DEI PIANETI EXTRASOLARI…

Pictoris (disco di materia)

HD114762 (nana bruna compagna)

1984

1989

1991

1992

PSR 1257+12 (due pianeti)

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)

27 Giugno 2013

906 pianeti identificati in 700 sistemi planetari (di cui 134 con più di un pianeta)

+> 3200 candidati dalla

Missione Spaziale Kepler !

+ 192 in corso di studio in 168 sistemi (di cui 18 multipli)

(fonte: Extrasolar Planets Encyclopedia -EPE)

… A PASSI DA GIGANTE

… A PASSI DA GIGANTE

24 Luglio 2014

1811 pianeti identificati in 1126 sistemi planetari (di cui 466 con più di un pianeta)

+ 200 in corso di studioin 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 miliardi-

potrebbero avere sistemi planetari; 2) nella Via Lattea potrebbero esistere oltre 15 miliardi di

pianeti di tipo terrestre.

Un cielo pieno di sistemi planetariGrande Carro

Orione

Triangolo EstivoKEPLER

Ascensione retta (ore)

Dec

lin

azio

ne

(gra

di)

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

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

Stelle «famose» con pianeti…

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.

Sistemi Planetari extrasolari

GLIESE 581 – Un caso davvero interessante

Gliese 581 (distanza 20 anni-luce) 6 pianeti ?

Nome T (giorni) d (UA) Note

Gliese 581 e 3.15 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

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.

Sistemi Planetari extrasolari

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…

CONCLUSIONI

Grazie per la

vostra attenzione !