Corpi minori: asteroidi, nanopianeti, comete e polvere interplanetaria
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Corpi minori: asteroidi, nanopianeti, comete e polvere interplanetaria

I corpi rocciosi che non riescono ad amalgamarsi e a dar vita ai pianeti restano di dimensioni più o meno piccole. Masse che possono raggiungere livelli tali da attivare la gravità e donare forma sferica al corpo, dando vita a quelli che chiamiamo nanopianeti o pianeti nani, oppure rimanere molto limitate dando vita a oggetti con svariate forme come gli asteroidi. A distanze maggiori rispetto alla stella centrale questi corpi hanno una dominanza ghiacciata, le comete. Tutto il resto è polvere.

Gli asteroidi e i pianeti nani

Oltre ai pianeti, un sistema planetario si compone di corpi minori rocciosi chiamati asteroidi. Nel Sistema Solare è stata introdotta anche la classe dei nanopianeti. Cosa sono e come si formano questi corpi minori.

Una volta compresa la formazione dei pianeti appare logico pensare come non tutti i planetesimi e non tutti i planetoidi siano riusciti a portare a termine tutte le fasi, con la conseguenza che molti corpi celesti non siano andati oltre determinate dimensioni. Questo vale nel nostro Sistema Solare di sicuro, visto che ogni sera e ogni notte possiamo avere una evidenza osservativa delle migliaia di corpi minori presenti, ma anche negli altri sistemi planetari. La convizione della presenza di corpi minori si basa su dati deduttivi ma, recentemente, anche osservativi: innanzitutto per il principio cosmologico non abbiamo nulla di speciale e se la formazione planetaria avviene proprio come pensiamo allora la presenza di "scarti" è una deduzione del tutto lecita e logica. Seconda poi, da qualche anno è stato possibile osservare righe spettrali causate da corpi minori (anche se in tal caso comete, più facili da captare data la coda molto lunga) sulla radiazione della stella madre. Un esempio su tutti è dato dalle comete scoperte nel sistema di beta Pictoris. Non da meno, il 2017 ha visto la scoperta di un corpo minore di origine extra-solare all'interno del nostro sistema planetario : l'oggetto è stato battezzato 1I'Oumuamua e rappresenta la prova evidente dell'esistenza di corpi minori anche all'interno di altri sistemi planetari: questo, in particolare, è stato espulso dal proprio sistema di origine e il suo viaggio da migrante lo ha portato nel Sistema Solare. 

In realtà l'esistenza di corpi minori è scoperta relativamente recente: quando il primo corpo minore venne osservato all'interno del Sistema Solare (1 gennaio 1801, scoperta di Cerere a opera di Padre Giuseppe Piazzi) questo concetto non era affatto chiaro e la sua scoperta portò all'ipotesi che potesse trattarsi di un ulteriore pianeta . La scoperta di tanti oggetti simili, in seguito, ha reso necessaria una rivisitazione della classificazione dei corpi celesti mentre oggi esistono addirittura piattaforme dedicate agli appassionati per la scoperta di asteroidi da immagini di repertorio. Un esempio è dato da Hubble Asteroid Hunter (HAH), un nuovo progetto di ZooUniverse che consente agli appassionati di evidenziare la presenza di asteroidi di passaggio nelle immagini di Hubble Space Telescope, immagini finalizzate allo spazio profondo nelle quali la "strisciata" di un asteroide è una fortunata coincidenza. 

Tracce di asteroidi nelle immagini a campo profondo di Hubble. Crediti ESA/NASA
Tracce di asteroidi nelle immagini a campo profondo di Hubble. Crediti ESA/NASA

All'interno della classe dei corpi minori, quindi, quelli rocciosi vengono chiamati asteroidi o nanopianeti mentre quelli a maggior contenuto di ghiaccio, formatisi nelle zone più distanti del sistema planetario, vengono detti comete.

Asteroide Itokawa ripreso dalla sonda Hayabusa della JAXA. Crediti JAXA
Asteroide Itokawa ripreso dalla sonda Hayabusa della JAXA. Crediti JAXA

Gli asteroidi sono corpi minori di un sistema planetario originati dallo stesso processo di formazione dei pianeti ma le cui fasi di accrescimenti si sono interrotte più o meno presto.  Un asteroide è un corpo roccioso di forma irregolare, non più grande di mille chilometri di diametro (anche se la media è inferiore ai cento) e superiore in genere a poche decine di metri.

Il limite superiore alla dimensione è legato al processo di formazione: sappiamo - dalla formazione planetaria - che la gravità inizia a essere dominante oltre i mille chilometri di diametro e proprio l'innescarsi degli effetti gravitazionali dona al corpo celeste in formazione un aspetto sferico. Il fatto che gli asteroidi abbiano una forma irregolare implica il mancato raggiungimento di una dimensione tale da attivare la gravità nel processo di acquisizione di massa , cioè di accrescimento.

I pianeti nani sono corpi minori di un sistema planetario originati dallo stesso processo di formazione dei pianeti ma che, pur riuscendo ad aver massa tale da donare forma sferica, non sono riusciti a ripulire la propria orbita da oggetti comparabili per massa e dimensione. 

La definizione di pianeta nano può sembrare decisamente più arbitraria e in effetti lo è, essendo nata essenzialmente per limitare il numero di pianeti nel Sistema Solare. Con la scoperta di tanti corpi celesti simili a Plutone, dapprima considerato pianeta , i corpi planetari del nostro sistema rischiavano di divenire migliaia e non più nove. La soluzione della IAU (International Astronomical Union), basata comunque su differenze orbitali notevoli tra Plutone e il resto dei pianeti, è stata introdurre il concetto di "orbita pulita", con la conseguente declassazione di Plutone al rango di nanopianeta e il ripristino di un sistema a otto pianeti. Difficilmente sentirete parlare di eso-nanopianeti mentre sentirete parlare di eso-asteroidi o eso-comete.

La struttura interna di Cerere, pianeta nano del Sistema Solare. Crediti NASA
La struttura interna di Cerere, pianeta nano del Sistema Solare. Crediti NASA

A differenziare pianeti nani e asteroidi è quindi la pulizia dell'orbita, in termini di definizione, ma la maggior massa acquisita dai pianeti nani, che si esterna come forma sferica, può comportare anche una stratificazione delle zone più interne come appare nel disegno in alto relativamente alla sezione di Cerere. Un processo visibile nei pianeti e dipendente, appunto, dalla massa, con gli elementi più pesanti che sprofondano verso il centro del corpo celeste lasciando gli elementi più volatili in superficie.

Tornando alla formazione, quindi, si può fare riferimento alla formazione planetaria avendo cura di fermarsi prima della fusione di planetoidi in pianeti: tutto sta a comprendere come mai questo processo di formazione non venga portato a termine per tutti gli embrioni planetari. Il motivo può essere senz'altro statistico ma anche legato alla dinamica di un sistema planetario .

  • Statisticamente, con milioni di oggetti in formazione con la "pretesa" di divenire pianeti è facile pensare come alcuni possano accrescersi prima di altri, per una distribuzione asimmetrica di materiale che tende a favorirli per posizione, e iniziare a giocare un ruolo di dominanza in un sistema, acquisendo una maggior quantità di materiale e - di conseguenza - sottraendola agli altri.
  • Anche la dinamica però, come detto, gioca un ruolo fondamentale: inizialmente esistono milioni di planetoidi e questi, in un sistema planetario del tutto instabile come quello in formazione, entrano in collisione. Le collisioni possono resettare le dimensioni dei corpi, frantumandoli di nuovo, e costringendoli a ricominciare il processo di formazione oppure a rimanere polvere interplanetaria o quasi. Oppure, ancora, catapultandoli fuori dal sistema planetario, cosa che potrebbe essere accaduta a 1I'Oumuamua ma anche a corpi nati nel Sistema Solare e oggi persi chissà dove.

Nel Sistema Solare, il limite ai mille chilometri potrebbe essere stato imposto (anche) dalla presenza dei giganti gassosi più esterni e delle risonanze gravitazionali con la massa di Giove: la maggior parte degli asteroidi si trova tra l'orbita di Marte e quella di Giove, nella così detta Fascia Principale degli Asteroidi , in un punto in cui un eventuale pianeta in formazione avrebbe risentito da un lato della gravità solare e dall'altra di quella di Giove, con il risultato di non riuscire più nella fase di accrescimento. Mentre la questione statistica, essendo tale, può essere ipotizzata in "media" per ciascun sistema planetario, ognuno di questi sistemi può invece avere le proprie dinamiche, i propri pianeti, e quindi andare a collocare i propri asteroidi dove meglio crede. L'unico vincolo è dato dalla distanza dalla stella , visto che oltre la linea della neve i corpi minori perdono la dominanza rocciosa a vantaggio di quella ghiacciata, risultando come comete. 

Ultimo aggiornamento del: 26/06/2019 19:44:34

Le comete

Quando i corpi minori si formano oltre la linea della neve il ghiaccio diventa lo stato dominante nella superficie. Nuclei cometari sono presenti ai confini di ogni sistema planetario, con la possibilità di essere deviati verso la stella centrale.

Un nucleo cometario è una tipologia di corpo minore di un sistema planetario , caratterizzato da una distanza notevole dalla stella centrale e, conseguentemente, da un involucro ghiacciato. Solitamente si parla di cometa nel momento in cui questo nucleo viene spinto da qualche evento verso le zone più interne del sistema planetario, con conseguente sublimazione del ghiaccio all'approssimarsi alla zona occupata dalla stella e formazione della tipica coda.

La cometa C/2006 P1 McNaught ripresa dall'emisfero australe a Gennaio 2007
La cometa C/2006 P1 McNaught ripresa dall'emisfero australe a Gennaio 2007

 

I nuclei cometari sono corpi celesti di diametro variabile da qualche chilometro a decine di chilometri, formati principalmente da ghiaccio, silicati e grafite. Il ghiaccio è dovuto proprio al fatto che questi oggetti abbiano origine in zone molto remote dalla stella centrale, zone molto fredde. Sappiamo come nel nostro Sistema Solare esistano miliardi di nuclei cometari i quali si mantengono a distanze elevatissime, tanto che i "serbatoi" di comete sono a oggi soltanto ipotizzati. Una conferma, tuttavia, viene da alcune esocomete già osservate, in particolare intorno alla stella beta Pictoris. Le righe spettrali di stelle distanti mostrano, a volte, i segni del passaggio di sciami cometari e quanto visto su beta Pictoris è stato osservato poi nella luce della stella KIC 3542116. 

La storia delle comete, quindi, parte dalla loro osservazione e riporta ai nuclei cometari soltanto come conseguente interrogazione circa la loro origine. Note fin dai tempi antichi, le comete venivano viste come presagio di sventura: apparivano all'improvviso e spesso erano visibili anche di giorno. Per di più, andavano a intaccare la perfetta staticità del cielo. Soltanto più recentemente gli studi effettuati e gli strumenti più evoluti hanno consentito alle comete di assumere una dignità di corpo celeste , tra l'altro molto importante visto che potrebbe fornire molte risposte alle domande sull'origine dei sistemi planetari. Il motivo di questa importanza risiede nel fatto che le comete sono residui della nube protoplanetaria (o disco protoplanetario ). A volte, il disturbo gravitazionale di stelle di passaggio o altri eventi comunque esterni possono alterare l'orbita dei nuclei cometari esterni può indurli a uscire definitivamente dal sistema planetario di appartenenza oppure a dirigersi verso il suo interno, catturata dalla gravità stellare e influenzata, nel moto, dalla presenza degli altri pianeti. Nell'ultimo caso il nucleo cometario, all'approssimarsi alla stella centrale, assume l'aspetto che siamo soliti indicare come cometa. Le comete, avvicinandosi alla stella, iniziano a surriscaldarsi e quando arrivano a una determinata distanza dalla stella, dipendente dalla radiazione stellare (per il Sole è tipicamente seicento milioni di chilometri) iniziano a liberare dei gas e delle polveri in rapida espansione assumendo una nebulosità diffusa formata da plasma e polvere. Si tratta della coma o chioma. Gli ioni della chioma vengono peraltro spinti in direzione opposta a quella del vento stellare, dando luogo alle splendide e lunghissime code (code di gas ionizzato). Anche le polveri espulse dal nucleo danno luogo ad una seconda coda, di polveri e tipicamente giallastra.

Una volta entrate nel sistema planetario interno, le comete diventano periodiche, con tempi tra un passaggio all'altro che possono essere molto brevi o molto lunghi tanto da apparire a orbita aperta (e quindi non periodiche). Nel nostro Sistema Solare la cometa di Hale Bopp, ad esempio, ha un periodo di oltre duemila anni con l'ultimo passaggio effettuato nel 1997. Il periodo orbitale più o meno lungo dipende dalla zona di origine: i nuclei cometari posti a maggior distanza dalla stella centrale saranno le comete di lungo periodo mentre i nuclei più prossimi alla stella avranno periodi più brevi. La periodicità delle comete fu scoperta grazie ad Edmund Halley: fu lui a capire che gli scritti riguardanti una cometa e risalenti a differenti anni erano tra loro legati dal fatto che riguardavano tutti la stessa cometa. Halley allora riuscì a predire l'anno in cui questa cometa sarebbe passata di nuovo, ma non visse talmente a lungo da verificare che la sua predizione era esatta. Le comete non periodiche, invece, sono quelle la cui orbita non è ellittica, e dopo un passaggio al perielio si perdono all'esterno del Sistema Solare non tornando più , seguendo una orbita parabolica.

Anche le comete muoiono: solitamente, la sublimazione del nucleo implica un dato oggettivo: ad ogni passaggio della cometa al periastro, il nucleo diventa più piccolo visto che perde alcuni metri di diametro e circa un millesimo della propria massa. Le comete dunque non sono infinite, ma sono destinate a morire anche se in tempi molto lunghi. Del resto è proprio la perdita di materiale sublimato che consente, in caso di intersezione con l'orbita terrestre, di vedere dal nostro pianeta lo spettacolo degli sciami di meteore. Ad esempio, l'accattivante sciame delle Perseidi che tiene con il naso all'insù tutti gli italiani le notti tra il 10 ed il 13 agosto di ogni anno sono i frammenti della cometa Swift-Tuttle. Ci sono comunque morti più drastiche: una cometa può essere spezzata dall'attrazione gravitazionale di pianeti ai quali viene a trovarsi troppo vicini (superamento del Limite di Roche). E' il caso del 1994, quando la cometa Shoemaker-Levy andò a morire contro Giove in una serie numerosa di frammenti. Quell'evento fece rendere conto di una cosa: le serie di piccoli crateri consecutivi presenti sulla Luna sono probabilmente dovuti ad impatti con frammenti di una cometa passata troppo vicino alla Terra.

Le comete sono composte da un nucleo, da una chioma e da due code.

Il nucleo cometario

Il nucleo cometario rappresenta il corpo celeste stesso, al netto della sua attività di sublimazione. Indicato da sempre come una palla di neve sporca ad indicare la sua natura di ghiaccio e roccia, le foto della cometa di Halley prima e soprattutto le straordinarie immagini della missione Cassini intorno alla cometa 67P/Churyuomov-Gerasimenko hanno evidenziato un colore molto scuro a indicare una prevalenza di materiale roccioso rispetto al ghiaccio. Il nucleo riflette poco la luce solare, assorbendone più del 97% nel caso della cometa di Halley. Le immagini del nucleo della cometa 67P in particolare mostrano paesaggi che ricordano molto da vicino quelli terrestri, fatti di vallate, rilievi e fratture.

La dimensione del nucleo cometario varia da qualche chilometro a decine di chilometri, anche se la densità è molto bassa, oscillando tra 0,2 e 1,2 volte la densità dell'acqua. Come tutti i pianetini, anche il nucleo della cometa ruota intorno ad un asse.

Il nucleo si compone di sostanze organiche e ghiacci volatili. Questi ultimi sono costituiti prevalentemente da acqua, mentre ossido e biossido di carbonio seguono con quote che arrivano a volte ad un quinto della massa cometaria. Altre sostanze sono state individuate, quali ammoniaca, metano e alcol metilico. 

La chioma o coma

La chioma (o coma) è l'atmosfera della cometa, un alone di gas che circonda il nucleo nel momento in cui la cometa stessa viene a trovarsi più vicina alla stella, iniziando a sublimare. A temperature più basse, la chioma è formata da monossido di carbonio ed anidride carbonica, che si volatilizzano. Avvicinandosi alla stella la temperatura sale, ed anche il ghiaccio inizia la fase di sublimazione. I gas che ne derivano, comprensivi di formaldeide e metano, formano lunghissimi getti che raggiungono le centinaia di migliaia di chilometri. Ogni getto ha la sua direzione, ovviamente, ma l'esposizione alla radiazione stellare e, soprattutto, ai venti stellari fa sì che tutti i getti vengano indirizzati in una sola direzione. 

La natura dei getti di gas e polvere su una cometa e la loro origine non è un fenomeno compreso in termini di processi superficiali coinvolti e così possono venire incontro le simulazioni al computer accompagnate dalle immagini scattate dalla sonda Rosetta sulla cometa 67P Churyumov-Gerasimenko, in grado di assistere al processo completo tramite più di settantamila immagini. Una fauna di getti ampissima, da getti rapidi e inattesi a strutture durature. Al sorgere del Sole su una zona superficiale si verifica una attività cometaria quasi istantanea al terminatore e mattina dopo mattina cometaria sono stati spesso osservati sempre gli stessi getti prendere forma. Le esplosioni in genere fanno riferimento a una piccola area superficiale nella quale esiste una quantità di acqua congelata, magari accumulatasi in seguito a una frana. Il fatto che vengano prodotti getti anziché una emissione più ampia è da spiegare con la forma più o meno frastagliata della cometa.

Non solo sublimazione, comunque, ma anche frane e valanghe che si verificano in superficie possono giocare un ruolo fondamentale per il mantenimento dell'attività cometaria, anche al termine dell'esaurimento del ghiaccio superficiale. Questi fenomeni sollevano la polvere cometaria creando nuvole visibili da Terra e possono anche generare variazioni nello stato di rotazione del corpo celeste. La distruzione di massa, che indica proprio i movimenti della superficie, può continuare a scavare e a esporre strati di ghiaccio che altrimenti sarebbero confinati sotto uno strato di polvere, prolungando l'attività delle comete. La perdita di massa, d'altro lato, comporta un appiattimento delle caratteristiche superficiali della cometa il che va a ridurre, nel tempo, la frequenza di questi eventi. In tal caso, però, la variazione nella rotazione della cometa può portare nuove esposizioni alla radiazione solare riattivando la cometa il che potrebbe anche spiegare il fatto che la 2P/Encke, ad esempio, sia ancora attiva sebbene la vita sublimativa fosse stimata in 200 anni. Probabilmente la 2P è rimasta dormiente a lungo fino a che un evento di perdita di massa ha provveduto alla riattivazione.

Le code delle comete

La coda è formata dai gas della chioma che si dispongono in un'unica direzione. Questa direzione, come detto, è stabilita dai venti stellari con la conseguenza che la coda della cometa va sempre in direzione opposta al stella, anche quando la cometa è in fase di allontanamento. Nonostante la coda sia lunga centinaia di migliaia di chilometri, la sua massa è veramente misera al punto che se la Terra entrasse nell'orbita della coda non ne risentirebbe minimamente. In effetti questo è già accaduto, quando la Terra si è venuta a trovare nella scia della cometa di Halley nel 1910, oppure quando Marte è stato investito dalla coda della cometa C/2013 A1 (Siding Spring).

Oltre alla coda di gas ionizzato (plasma) di colore bluastro, esiste anche un'altra coda formata da polvere e che solitamente è giallastra.

A volte le code si spezzano e si staccano dal nucleo: il 20 aprile del 2007 una espulsione di massa coronale di una certa entità, da parte del Sole, ha investito la cometa Encke provocandone il distaccamento della coda. Il campo magnetico del vento solare, in questi casi, si stringe intorno alla coda per riconnettersi ad una certa distanza oltre il suo nucleo. L'effetto è proprio la perdita di coda da parte della cometa, comunque temporaneo.

Ultimo aggiornamento del: 22/06/2019 18:24:33

L'importanza dei corpi minori per lo studio del sistema planetario

Proprio nascosta all'interno dei corpi minori dei sistemi planetari resistono le tracce della formazione del sistema intero, la chimica della nebulosa primordiale e i segno del processo di formazione dei pianeti. Da questi corpi viene anche l'acqua.

L'origine dei sistemi planetari

Per scoprire le origini di un sistema planetario - a partire dal Sistema Solare - si potrebbe studiare il corpo celeste più comodo e maggiormente a portata di mano, quindi la Terra o al massimo la Luna. Invece ci sono missioni spaziali che vengono inviate verso zone più distanti proprio per studiare i corpi minori e ne sono esempi la New Horizons verso Plutone e Ultima Thule, la sonda Dawn verso Vesta e Cerere ma soprattutto le sonde destinate a perforare le superfici degli asteroidi al fine di prelevarne campioni sub-superficiali, come Hayabusa2 sull'asteroide Ryugu e OSIRIS-REx su Bennu. Per non parlare delle missioni destinate alle comete. 

Se non studiamo la Luna per comprendere le origini del Sistema Solare è perché la teoria più accreditata vede la Luna nascere in un momento successivo rispetto all'inizio della formazione planetaria mentre se non studiamo i pianeti, come il nostro o come Marte, il motivo va ricercato nel fatto che i pianeti, a distanza di 4.5 miliardi di anni dalla formazione, hanno modificato notevolmente le proprie caratteristiche. La loro massa ha prodotto mutamenti interni, stratificazioni, che hanno alterato notevolmente la composizione pristina dovuta alla fusione di frammenti via via più grandi. Anche la superficie, sconvolta da movimenti tettonici, da agenti atmosferici o da impatti meteoritici, risulta a oggi non più rappresentativa dell'origine. Studiare corpi più piccoli, privi di qualsiasi atmosfera e di qualsiasi moto interno, vuol dire quindi andare a studiare gli elementi chimici primordiali, quelli presenti nel momento della formazione del sistema planetario intero.

L'acqua presente sui pianeti

Non è possibile pensare come l'acqua presente sulla superficie di alcuni pianeti, a partire dalla Terra ma finendo sui tantissimi pianeti come il nostro ancora da scoprire, sia "nata" insieme al pianeta . Il processo di formazione planetaria richiede temperature elevatissime e l'acqua eventualmente "piovuta" sul pianeta durante la fase di formazione deve essere sicuramente evaporata. Altra acqua, quella incastonata negli strati più interni del pianeta, dovrebbe invece essere ancora presente nel mantello planetario. Gli oceani terrestri, superficiali, sono dunque il risultato di un apporto successivo da parte di altri processi e l'idea dominante vede asteroidi e comete come traghettatori di questa fondamentale molecola. Molecola che sugli asteroidi, ad esempio, è in grado di rigenerarsi, come dimostra uno studio di Ottobre 2019 (Cheng Zhu et al.- "Regenerative water sources on surfaces of airless bodies"Nature Astronomy - 2019) basato su test di laboratorio sul meteorite Murchison caduto in Victoria cinquanta anni fa: bombardando parte del meteorite con elettroni energetici a simulare il vento stellare e laser per simulare impatti di meteoroidi, infatti, il team di ricerca ha potuto monitorare molecole di acqua superficiali osservando come gli impatti riescano ad avviare le reazioni lasciando al vento stellare il compito di liberare atomi di ossigeno e idrogeno. Questi elementi vanno poi a ricombinarsi creando acqua, rigenerata appunto.

In particolare, per la Terra i principali indiziati sono gli asteroidi anche se non mancano idee contrarie, ma per questo si rimanda alla trattazione più puntuale nell'area del Sistema Solare .

Rappresentazione artistica di un pianeta in formazione e della temperatura incompatibile con la persistenza di acqua
Rappresentazione artistica di un pianeta in formazione e della temperatura incompatibile con la persistenza di acqua

 

Ultimo aggiornamento del: 08/10/2019 20:07:03