Il telescopio spaziale James Webb di NASA/ESA/CSA ha appena risolto un enigma celeste, dimostrando una controversa scoperta fatta con il telescopio spaziale Hubble di NASA/ESA più di 20 anni fa. Nel 2003, Hubble ha fornito la prova di un pianeta enorme attorno a una stella molto vecchia, quasi vecchia quanto l’Universo. Tali stelle possiedono solo piccole quantità degli elementi più pesanti che sono i mattoni dei pianeti. Ciò implicava che la formazione di alcuni pianeti fosse avvenuta quando il nostro Universo era molto giovane e che quei pianeti avessero avuto il tempo di formarsi e crescere all’interno dei loro dischi primordiali, persino più grandi di Giove. Ma come? Questo era incomprensibile.
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno utilizzato Webb per studiare le stelle in una galassia vicina che, proprio come l’Universo primordiale, è priva di grandi quantità di elementi pesanti. Hanno scoperto che non solo alcune stelle hanno dischi di formazione planetaria, ma che questi dischi hanno una vita più lunga di quelli osservati attorno a stelle giovani nella nostra galassia, la Via Lattea.
“Con Webb, abbiamo una conferma davvero forte di ciò che abbiamo visto con Hubble e dobbiamo ripensare al modo in cui modelliamo la formazione dei pianeti e l’evoluzione primordiale nell’Universo giovane“, ha affermato il responsabile dello studio, Guido De Marchi, dell’European Space Research and Technology Centre dell’ESA a Noordwijk, nei Paesi Bassi.
Un ambiente diverso nei tempi primordiali
Nell’Universo primordiale, le stelle si formavano principalmente da idrogeno ed elio e da pochissimi elementi più pesanti come carbonio e ferro, che arrivarono in seguito attraverso esplosioni di supernova. “I modelli attuali prevedono che con così pochi elementi più pesanti, i dischi attorno alle stelle abbiano una vita breve, così breve in effetti che i pianeti non possono crescere”, ha affermato la co-investigatrice dello studio, Elena Sabbi, scienziata capo del Gemini Observatory presso il NOIRLab della National Science Foundation a Tucson. “Ma Hubble ha visto quei pianeti, e se quindi i modelli non fossero corretti e i dischi potessero vivere più a lungo?”.
Per testare questa idea, gli scienziati hanno addestrato Webb sulla Piccola Nube di Magellano, una galassia nana che è una delle vicine più prossime della Via Lattea. In particolare, hanno esaminato l’enorme ammasso di formazione stellare NGC 346, che ha anche una relativa mancanza di elementi più pesanti. L’ammasso è servito come proxy vicino per studiare ambienti stellari con condizioni simili nell’Universo primordiale e distante.
Le osservazioni di Hubble di NGC 346 dalla metà degli anni 2000 hanno rivelato molte stelle di circa 20-30 milioni di anni che sembravano avere ancora dischi di formazione planetaria attorno a loro. Ciò andava contro la credenza convenzionale che tali dischi si sarebbero dissipati dopo 2 o 3 milioni di anni.
“I risultati di Hubble erano controversi, andando contro non solo le prove empiriche nella nostra galassia, ma anche contro i modelli attuali”, ha affermato De Marchi. “Era intrigante, ma senza un modo per ottenere gli spettri di quelle stelle, non siamo riusciti a stabilire se stessimo assistendo a un vero accrescimento e alla presenza di dischi, o solo ad alcuni effetti artificiali”.
Ora, grazie alla sensibilità e alla risoluzione di Webb, gli scienziati hanno i primi spettri in assoluto di stelle in formazione simili al Sole e dei loro ambienti immediati in una galassia vicina. “Vediamo che queste stelle sono effettivamente circondate da dischi e sono ancora nel processo di divorare materiale, anche alla relativamente vecchia età di 20 o 30 milioni di anni“, ha affermato De Marchi. “Questo implica anche che i pianeti hanno più tempo per formarsi e crescere attorno a queste stelle rispetto alle vicine regioni di formazione stellare nella nostra galassia”.
Un nuovo modo di pensare
Questa scoperta confuta le precedenti previsioni teoriche secondo cui quando ci sono pochissimi elementi più pesanti nel gas attorno al disco, la stella spazzerebbe via molto rapidamente il disco. Quindi la vita del disco sarebbe molto breve, anche meno di un milione di anni. Ma se un disco non rimane attorno alla stella abbastanza a lungo da permettere ai granelli di polvere di unirsi e ai ciottoli di formarsi e diventare il nucleo di un pianeta, come possono formarsi i pianeti?
I ricercatori hanno spiegato che potrebbero esserci due meccanismi distinti, o persino una combinazione, per cui i dischi di formazione planetaria persistono in ambienti poveri di elementi più pesanti.
Innanzitutto, per poter spazzare via il disco, la stella applica una pressione di radiazione. Affinché questa pressione sia efficace, elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio dovrebbero risiedere nel gas. Ma l’enorme ammasso stellare NGC 346 ha solo circa il 10% degli elementi più pesanti presenti nella composizione chimica del nostro Sole. Forse ci vuole semplicemente più tempo perché una stella in questo ammasso disperda il suo disco.
La seconda possibilità è che, affinché una stella simile al Sole si formi quando ci sono pochi elementi più pesanti, dovrebbe iniziare da una nube di gas più grande. Una nube di gas più grande produrrà un disco più grande. Quindi c’è più massa nel disco e quindi ci vorrebbe più tempo per spazzare via il disco, anche se la pressione di radiazione funzionasse allo stesso modo.
“Con più materia attorno alle stelle, l’accrescimento dura più a lungo”, ha detto Sabbi. “I dischi impiegano dieci volte di più a scomparire. Ciò ha implicazioni su come si forma un pianeta e sul tipo di architettura di sistema che si può avere in questi diversi ambienti. È così emozionante”.
Lo studio del team scientifico è stato pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal.
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