Guai per i pianeti di un "giovane sistema solare": un cambiamento imprevisto potrebbe cambiare la loro sorte

Le recenti osservazioni di James Webb del disco protoplanetario della stella SZ Chamaeleontis non hanno più trovato il gas neon due volte ionizzato precedentemente osservato da Spitzer. Questa circostanza implica per i suoi pianeti gassosi un tempo più breve (di circa un milione di anni) per potersi formare. Vediamo perché.

Ciò che ha di notevole questa scoperta non è tanto la scomparsa dal disco protoplanetario della stella SZ Chamaeleontis del gas neon due volte ionizzato, piuttosto la rapidità con cui è scomparso, meno di 15 anni, il che è un tempo estremamente breve e con conseguenze estremamente grandi per la formazione di esopianeti gassosi nel disco di questa stella.

Il neon è un elemento presente in natura allo stato gassoso. Come gli altri elementi naturali più pesanti dell’idrogeno, anch'esso si è formato all’interno delle stelle ed è normale che sia presente nelle stelle neonate e nei suoi dischi.

Come vedremo, la mancanza di neon due volte ionizzato rivela, indirettamente, che il disco protoplanetario di questa stella scomparirà molto prima di quanto fosse stato previsto qualche anno fa, cioè circa un milione di anni prima del previsto. Questo significa che gli esopianeti gassosi di SZ Chamaeleontis avranno disponibili per meno tempo quantità sufficienti di gas e polveri per formarsi.

Ma andiamo per ordine.

Chi è SZ Chamaeleontis

L’immagine di copertina rappresenta artisticamente il disco di polveri e gas che circonda, e parzialmente nasconde, la stella SZ Chamaeleontis (brevemente chiamata SZ Cha).

Si tratta di una stella giovanissima di appena pochi milioni di anni nella costellazione del Camaleonte. Possiamo immaginare che anche il nostro Sole avesse un disco simile alla stessa età, nel quale successivamente si sono formati i pianeti che oggi costituiscono il Sistema Solare.

SZ Cha è lo stesso tipo di stella giovane come lo era il nostro Sole 4,5 miliardi di anni fa all'alba del sistema solare. Studiarne il disco ci permette di comprendere meglio l’ambiente e i meccanismi che portarono alla formazione dei nostri pianeti.

A motivo della sua rilevanza nello studio delle origini del nostro sistema solare, questa stella, inizialmente osservata dal telescopio Spitzer, è stata recentemente riosservata dal telescopio James Webb.

Cosa sta succedendo e succederà nel disco di SZ Cha

Nel disco di SZ Cha non sono ancora stati osservati proto-pianeti, ma è altamente probabile che il processo di formazione sia già iniziato. C’è un'alta probabilità che in esso si formeranno pianeti gassosi, come ad esempio Giove o Saturno, ma anche pianeti rocciosi, come la Terra o Marte.

Durante la formazione dei pianeti, che avviene entro alcuni milioni di anni dalla nascita della stella, parte del gas e delle polveri presenti nel disco continuano a precipitare sulla stella (attratti dalla sua gravità ma anche incanalati dal campo magnetico), una frazione trascurabile formerà appunto i pianeti ed eventuali fasce di asteroidi (chiamati anche debris-disc), tutto il resto evaporerà per effetto dell'irraggiamento della stella, disperdendosi nello spazio interstellare.

Disco stellare — Rappresentazione artistica di una stella neonata che, inizialmente nascosta dalle polveri del suo disco, una volta dissipate dal suo campo di radiazione, diventa visibile. Credit: ESO/L. Calçada

Principalmente la radiazione X emessa dalla stella, ma anche la radiazione nell’estremo ultravioletto (EUV), anche se questa meno efficacemente, hanno un effetto di erosione del disco; precisamente, riscaldano gas e polveri facendoli evaporare e così dissipano l’intero disco.

Quando ad agire è principalmente la radiazione X (molto più energetica di quella EUV) l’evaporazione avviene rapidamente (pochi milioni di anni). Quando invece ad agire è principalmente la radiazione EUV, l’evaporazione avviene più lentamente e, secondo i modelli, il disco sopravvive almeno un milione di anni in più.

Il fatto che gas e polveri del disco vengano dispersi nello spazio significa che i pianeti per formarsi devono fare una vera e propria corsa contro il tempo. Se i pianeti, appunto, perdono tempo, rischiano di rimanere senza materia prima (gas e polveri) per formarsi, poiché ormai tutta evaporata.

Cosa hanno osservato Spitzer e James Webb

Spitzer è stato un telescopio spaziale della Nasa che ha osservato nell’infrarosso tra il 2003 (anno del suo lancio in orbita) e il 2020, quando è stato dismesso. Tra le stelle osservate da Spitzer vi era proprio SZ Cha. E’ stato Spitzer a scoprire nel 2008 non solo che SZ Cha aveva un disco protoplanetario ma che questa stella, su un campione di 50 stelle, era l’unica ad avere una quantità di gas neon due volte ionizzato molto più alta che in altre stelle simili.

Il neon due volte ionizzato è neon che ha perso i suoi due elettroni più esterni, a causa dell’interazione con raggi EUV.

Il fatto che fosse abbondante il neon due volte ionizzato stava ad indicare che il disco era prevalentemente irraggiato con radiazione EUV, piuttosto che X, e che quindi sarebbe evaporato più lentamente. Ne seguiva che i pianeti, soprattutto quelli gassosi, che si stavano o si sarebbero formati, potevano "prendersela con comodo”, poiché avrebbero avuto gas disponibile per più tempo.

Spettro SZ Cha — Confronto tra lo spettro del disco di SZ Cha osservato da Spitzer nel 2008 in cui è evidente la riga del neon due volte ionizzato (Ne III) e lo spettro preso da James Webb nel 2023 in cui la riga è scomparsa. Credit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

La sorpresa è arrivata recentemente dalle osservazioni del neo telescopio James Webb. Anche lui è tornato ad osservare il disco di SZ Cha, a distanza di 15 anni da Spitzer, ma non ha più trovato presenza di neon due volte ionizzato. Questo significa che nel disco di SZ Cha è ancora presente il neon ma, a differenza di 15 anni fa, è neutro o solo una volta ionizzato. Questo significa che il disco, a differenza di 15 anni fa, ora viene irradiato con raggi X e quindi la sua erosione è rapida. La possibilità e il tempo per SZ Cha di formare pianeti gassosi si è ridotta di circa 1 milione di anni.

Gli scienziati che hanno condotto queste osservazioni, guidati dall'astronoma Catherine Espaillat, e i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Astrophysical Journal Letters, ritengono che il passaggio da un campo di radiazione dominato dai raggi EUV a quello dominato dai raggi X sia legato al vento stellare (analogo al vento che conosciamo ma costituito da particelle elettricamente cariche e a velocità supersonica).

Infatti, contemporaneamente alle osservazioni di James Webb, utilizzando telescopi da Terra è stata osservata la presenza di forti venti, per cui gli scienziati ritengono che "alla radiazione EUV è stato impedito di raggiungere il disco mentre i raggi X sono riusciti a permeare il vento e irradiare il disco”.

Non è possibile escludere che l’intensità e la forma del vento possano in futuro cambiare in modo tale da far prevalere nuovamente la radiazione EUV e dare una boccata di respiro agli esopianeti gassosi nel loro processo di formazione.