I pianeti rocciosi nascono nei dischi protoplanetari, grandi strutture di gas e polveri che circondano le giovani stelle. Se potessimo osservare l’evento da vicino, vedremmo minuscole particelle di polvere aggregarsi in grani di qualche millimetro di diametro, poi fondersi tra loro formando aggregati di centimetri, e infine evolvere in rocce di centinaia di metri, fino a diventare veri e propri pianeti.
Secondo gli attuali modelli teorici, uno dei fenomeni fisici chiave in questo processo, in particolare nel passaggio dai grani centimetrici ai planetesimi, è la cosiddetta instabilità di flusso di taglio, nota anche come instabilità di Kelvin-Helmholtz. Si tratta di un fenomeno fisico che si verifica quando due strati con densità e velocità differenti (in questo caso, uno strato di gas e uno di particelle solide – le polveri) scorrono l’uno sull’altro, creando attrito e turbolenza che si pensa favoriscano l’aggregazione della polvere in ammassi sempre più densi, da cui si formano i pianeti.
Illustrazione artistica che mostra una giovane stella circondata da un disco protoplanetario in cui si stanno formando pianeti. Crediti: Eso/L. Calçada
Ora, grazie a un esperimento condotto in condizioni di microgravità durante dei voli parabolici, un team guidato dall’Istituto di fisica dell’Università di Berna ha dimostrato per la prima volta che questo tipo di instabilità può effettivamente svilupparsi in condizioni analoghe a quelle delle regioni di formazione planetaria e influenzare il modo in cui polveri e detriti si aggregano nei dischi protoplanetari. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Communications Physics
Per confermare sperimentalmente l’insorgere dell’instabilità di Kelvin–Helmholtz nei dischi e chiarire il ruolo del fenomeno nelle interazioni tra gas e particelle di polvere durante la formazione dei pianeti, i ricercatori hanno progettato e realizzato uno strumento denominato Tempus Vola (Timed Epstein Multi-Pressure Vessel at Low Accelerations): un apparato grande pressappoco quanto una lavatrice, dotato di telecamere ad alta velocità in grado di tracciare il comportamento di particelle di polvere iniettate in un gas estremamente rarefatto in condizioni di vuoto.
La microgravità è stata un elemento cruciale per il test. Era infatti necessario evitare la sedimentazione gravitazionale dei granelli di polvere. Senza il peso della gravità, le particelle iniettate all’interno dello strumento potevano fluttuare liberamente ed essere trasportate esclusivamente dal flusso di gas, permettendo di studiare le interazioni intrinseche tra gas e polveri senza l’interferenza di forze esterne.
«Sulla Terra, la gravità influenza il comportamento della polvere e del gas», dice a questo proposito Lucio Mayer, ricercatore dell’Università di Zurigo e coautore della pubblicazione. «Solo condizioni che simulano l’assenza di gravità permettono di studiare un regime di flusso estremamente rarefatto, analogo a quello dei dischi di gas e polveri che orbitano attorno alle giovani stelle».
Per ottenere queste condizioni, il team ha sfruttato voli parabolici operati dall’Uzh Space Hub e dall’Agenzia spaziale europea. Durante questi voli, un velivolo segue una traiettoria parabolica caratterizzata da salite (pull-up) e discese (pull-out) ripetute che generano condizioni di iper-gravità. Quando l’aereo si trova perfettamente parallelo al suolo, per circa 20 secondi si produce tuttavia una condizione di microgravità – la cosiddetta “zero-g”. È in questo breve intervallo che l’esperimento è stato attivato, variando progressivamente le condizioni per verificare se si innescava l’instabilità di flusso di taglio tra gas e polvere.
Schema che mostra il volo parabolico condotto per eseguire l’esperimento Tempus Vola in condizioni di microgravità. Crediti: Nccr planets
I risultati delle indagini hanno mostrato non solo che le interazioni tra gas e polveri possono generare instabilità di Kelvin-Helmholtz, ma anche che in questo fenomeno la polvere non è un partecipante passivo: al contrario, gioca un ruolo attivo nella dinamica e nella struttura dei dischi.
Secondo l’interpretazione proposta dal team, nei dischi protoplanetari potrebbe verificarsi questo: durante la formazione planetaria, i grani di polvere tendono a sedimentare verso il piano mediano del disco, formando uno strato più denso che scorre più velocemente rispetto agli strati di gas circostanti. Quando la differenza di densità e velocità supera una soglia critica, si sviluppano turbolenze che innescano l’instabilità. In questo scenario, la polvere non si limiterebbe a subire la turbolenza, ma contribuirebbe a generarla. Questo implica che la polvere influenza la formazione planetaria non solo agendo da “seme” per la crescita dei corpi solidi, ma anche da fattore capace di modellare la struttura del disco protoplanetario, regolando il trasporto del momento angolare e la concentrazione di materia necessaria alla formazione dei planetesimi.
«Il nostro esperimento non solo fornisce una conferma diretta che un fenomeno teorizzato da tempo può verificarsi in condizioni simili a quelle di un disco protoplanetario, ma contribuisce anche a migliorare i modelli teorici e a perfezionare le simulazioni», sottolinea Holly Capelo, ricercatrice dell’Istituto di fisica dell’Università di Berna e prima autrice della pubblicazione. «Questo ci aiuterà a comprendere meglio come si formano i sistemi planetari e, in ultima analisi, come il Sistema solare e la Terra siano nati miliardi di anni fa da una semplice nube di gas e polvere».
Il team sta ora lavorando a una versione più avanzata dell’esperimento da condurre su una stazione spaziale, come la Stazione spaziale internazionale. I voli parabolici offrono infatti solo brevi intervalli di microgravità, insufficienti per seguire lo sviluppo completo del fenomeno fisico oggetto dello studio. In un ambiente a gravità zero prolungata, come quello della Iss, sarà possibile osservare l’evoluzione di queste instabilità su tempi più lunghi, aggiungendo un nuovo tassello alla comprensione della formazione dei pianeti.
Per saperne di più:
- Leggi su Communications Physics l’articolo “Experimental evidence for granular shear-flow instability in the Epstein regime” di Holly L. Capelo, Jean-David Bodénan, Martin Jutzi, Jonas Kühn, Clément Surville, Lucio Mayer, Maria Schönbächler, Yann Alibert, Nicolas Thomas e Antoine Pommerol