I pianeti non sono sfere perfette: ecco perché si schiacciano ai poli e si gonfiano all’equatore

Vi siete mai chiesti per quale motivo la Natura abbia voluto dare forma sferica a stelle e pianeti? Tutti i corpi dell’Universo che si trovino allo stato gassoso o liquido, o che comunque abbiano attraversato nella loro evoluzione una fase liquida o gassosa, condividono la stessa forma sferica.

In effetti, più che una volontà della Natura nello scegliere questa forma tra le tante è una conseguenza della legge di gravitazione universale.

Immaginando di avere una certa massa di gas o di liquido, ciascuna particella del gas o del liquido risente dell’attrazione di tutte le altre, ma l’effetto risultante è un’attrazione di ciascuna particella verso il centro di massa. E’ così che la forza di gravità plasma la massa di gas o di liquido imprimendo una forma sferica. Parliamo di gas o liquidi poiché le particelle che lo compongono devono essere in grado di muoversi permettendo una ridistribuzione della massa.

Ad esempio, parlando di pianeti rocciosi, la forma sferica è stata assunta quando erano ancora giovani e costituiti di roccia fusa, modellati in forme sferiche prima della loro solidificazione.

Se ad agire fosse solo la forza di gravità, l’intera massa dovrebbe concentrarsi in un solo punto coincidente con il centro. Questo non succede in quanto a mano a mano che le particelle vengono attratte verso il centro, qui densità, temperatura e pressione aumentano fino a quando la forza di gravità, che da sola farebbe collassare tutta la massa in un solo punto, viene controbilanciata dalla pressione in quello che viene chiamato "equilibrio idrostatico".

Grazie all’azione della forza di gravità e alla pressione che da dentro sostiene il peso degli strati più esterni, è possibile avere stelle e pianeti di forma sferica ed in uno stato di equilibrio, cioè non si contraggono ulteriormente e non si espandono.

Perché i pianeti si schiacciano ai poli e si gonfiano all’equatore

Quando immaginiamo un pianeta, pensiamo a una sfera perfetta. In realtà, nessun pianeta o stella possiede una geometria così ideale: la gravità tende a renderlo rotondo, ma la rotazione, le maree e la distribuzione interna della massa ne deformano la superficie. La forma più comune è quella dello sferoide oblato, leggermente schiacciato ai poli e più largo all’equatore.

Tanto i pianeti quanto le stelle sono in rotazione (rotazione ereditata dalla nube di gas da cui si sono formati). Quindi ogni parte del pianeta è soggetta ad una forza centrifuga che cresce al crescere della distanza dall’asse di rotazione.

Pertanto, mentre i poli non sono soggetti a forza centrifuga, trovandosi sull’asse di rotazione, la regione equatoriale, cioè la più distante dall’asse di rotazione, subisce la forza centrifuga massima. La materia viene quindi spostata leggermente verso l’esterno nelle regioni equatoriali, mentre i poli rimangono più vicini al centro.

Gli astronomi quantificano questa deformazione attraverso l’appiattimento o schiacciamento.

La Terra possiede uno schiacciamento di circa lo 0.34%. Il nostro pianeta è non è una sfera ma uno sferoide oblato. Anche il Sole ha un appiattimento, di circa lo 0.001%.

Giove e Saturno: i pianeti più schiacciati

Come la Terra anche gli altri pianeti presentano un certo livello di schiacciamento. Maggiore è la facilità con cui la massa riesce a ridistribuirsi maggiore è l’appiattimento. Per questo i giganti gassosi come Giove e Saturno sono più appiattiti dei pianeti rocciosi.

Mercurio e Venere, ruotando molto lentamente ed essendo con una crosta solida, sono quasi sferici.

Il livello di schiacciamento dipende dal modo in cui la massa è distribuita tra nucleo, mantello e atmosfera. Due pianeti con la stessa velocità di rotazione potrebbero presentare appiattimenti differenti se uno possedesse un nucleo molto più compatto dell’altro. La forma diventa così una sorta di radiografia indiretta dell’interno planetario.

Ma gravità e forze centrifughe non solo le sole a plasmare la forma dei pianeti. Ci sono anche le forze mareali esercitate da una stella molto vicina. Queste possono allungare un pianeta nella direzione che congiunge i due corpi, trasformandolo in un ellissoide, qualcosa simile ad una palla da rugby.

Un esempio è il pianeta WASP-103b, questo è molto vicino alla sua stella attorno alla quale orbita in meno di un giorno. L’effetto mareale ha conferito a questo pianeta una forma ellissoidale, come osservato dal satellite CHEOPS. Si tratta del primo caso di deformazione mareale di un esopianeta rilevata direttamente.

La forma degli esopianeti racconta ciò che hanno dentro

Misurare lo schiacciamento ai poli di un esopianeta è estremamente difficile ma non impossibile. Gli esopianeti scoperti con la tecnica dei transiti, quando transitando davanti alla propria stella producono una eclissi, imprimono a questa una forma che dipende dalla forma stessa del pianeta.

Ebbene, dall’analisi della forma dell’eclissi è possibile misurare anche lo schiacciamento del pianeta, oltre che a informazioni sulla velocità di rotazione, sull’inclinazione dell’asse e sulla distribuzione interna della massa.

Secondo le simulazioni più recenti, i telescopi spaziali JWST, CHEOPS e ancor più le future missioni PLATO e ARIEL potrebbero riconoscere l'appiattimento soprattutto nei pianeti giganti che transitano davanti a stelle luminose.

Quello che potrebbe essere un difetto, cioè una deformazione rispetto alla perfetta forma sferica, si rivela invece un prezioso aiuto che la Natura stessa fornisce agli astronomi per sondare le proprietà fisiche e la struttura degli esopianeti, ma più in generale anche delle stelle.