Come si uniscono le polveri sottili per formare i mattoni da cui si formano interi pianeti come la nostra Terra? Durante voli parabolici a gravità zero, un team di ricerca guidato dall’Università di Berna ha fornito la prima prova sperimentale che un importante processo fisico - noto come instabilità del flusso di taglio - si verifica nelle condizioni che prevalgono nelle regioni in cui si formano i pianeti. Lo studio colma così un’importante lacuna nella comprensione dei primissimi passi della formazione dei pianeti. Sono coinvolti il Politecnico di Zurigo, l’Università di Zurigo e il Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) PlanetS.
I pianeti si formano nei cosiddetti dischi protoplanetari, enormi dischi di gas e polvere che orbitano attorno a stelle molto giovani. Nel passaggio dai grani di polvere più fini ai pianeti completamente formati avvengono diversi processi fisici. Da un lato, minuscole particelle di polvere si scontrano e si raggruppano elettrostaticamente fino a raggiungere dimensioni di alcuni millimetri. Dall’altro, i planetesimi, cioè corpi rocciosi o ghiacciati di dimensioni comprese tra qualche centinaio di metri e qualche chilometro, si scontrano, si fondono e si raggruppano. Questi si trasformano lentamente in pianeti rocciosi o ghiacciati, mentre quelli che crescono più rapidamente finiscono per accumulare gas e diventare giganti gassosi. La maggior parte degli scenari di formazione dei pianeti si scontra con una sorta di "barriera" per le rocce di dimensioni comprese tra i centimetri e i cento metri circa. L’ulteriore crescita è impedita perché in questa fascia di dimensioni gli ammassi tendono a rimbalzare l’uno contro l’altro nelle collisioni, a rompersi o addirittura a vaporizzarsi se si avvicinano troppo alla loro stella. Questa barriera ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni.
Dall’inizio del nuovo millennio, i modelli teorici hanno ipotizzato un ulteriore meccanismo che potrebbe colmare questa lacuna. Poiché la miscela gas-polvere nei dischi protoplanetari si comporta come un liquido, possono svilupparsi varie instabilità idrodinamiche. Queste portano le polveri a raggrupparsi e a formare nubi più dense, dalle quali gli ammassi più grandi finiscono per diventare planetesimi. Ognuna di queste instabilità si verifica in determinate condizioni e in diverse regioni del disco e può influenzarlo in modi diversi. Una di queste instabilità che si pensa possa giocare un ruolo significativo è l’instabilità da flusso di taglio. Si verifica all’interfaccia tra due liquidi con proprietà diverse, in questo caso velocità e densità diverse. Tuttavia, non è mai stato dimostrato sperimentalmente se tali instabilità di flusso di taglio si verifichino effettivamente nelle condizioni di gas estremamente sottili dei dischi protoplanetari. Un team di ricerca guidato da Holly L. Capelo del Dipartimento di Ricerca Spaziale e Planetologia dell’Istituto di Fisica dell’Università di Berna ha ora dimostrato che le instabilità di flusso di taglio possono formarsi, anche in presenza di gas estremamente sottili. La prova è stata ottenuta con l’aiuto di un esperimento unico nel suo genere che sfrutta le condizioni di microgravità durante i voli parabolici, noti anche come voli a gravità zero.
Volare con un esperimento a gravità zero
A seconda delle condizioni, le instabilità del flusso di taglio possono favorire o ostacolare l’aggregazione della polvere in planetesimi. Per studiarle, il team ha iniziato a sviluppare l’esperimento TEMPus-VoLA nel 2020, con uno strumento unico al centro. Finanziato dal NCCR PlanetS e dall’Ufficio Spaziale Svizzero, è stato progettato e costruito presso l’Università di Berna in collaborazione con l’Università di Zurigo e il Politecnico di Zurigo. Lo strumento è dotato di telecamere ad alta velocità che seguono il comportamento delle particelle di polvere in un gas estremamente sottile in condizioni di vuoto. È stato sviluppato appositamente per i voli parabolici, che offrono microgravità. sulla Terra, la gravità influenza il comportamento della polvere e del gas", spiega Lucio Mayer dell’Università di Zurigo. solo in condizioni che simulano l’assenza di gravità possiamo studiare un regime di flusso estremamente rarefatto che assomiglia ai dischi di gas e polvere che orbitano attorno a giovani stelle". Durante i voli parabolici, un velivolo appositamente adattato segue una traiettoria in cui sale e scende ripetutamente con un angolo di circa 45 gradi. Ogni fase di immersione fornisce circa 20 secondi di assenza di peso, mentre la risalita simula una forza gravitazionale più forte di quella terrestre. Nel corso di diverse campagne di volo condotte dall’UZH Space Hub e dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), il team ha sistematicamente perfezionato e variato le condizioni dell’esperimento per verificare quando si innesca il flusso di taglio. abbiamo ricreato le condizioni che prevalgono nelle regioni di formazione dei pianeti dei dischi protoplanetari e siamo riusciti a dimostrare che l’instabilità del flusso di taglio proposta teoricamente non è solo un costrutto matematico, ma può effettivamente verificarsi", spiega Capelo.
Tuttavia, i voli parabolici offrono solo fasi molto brevi di assenza di gravità. non appena l’instabilità si manifesta, notiamo che emergono modelli caratteristici nel flusso del materiale. Tuttavia, la durata limitata dell’assenza di peso ci impedisce di seguire come queste strutture si sviluppino in una turbolenza pienamente sviluppata", spiega Capelo. Il team sta quindi lavorando a una versione più avanzata dell’esperimento da utilizzare su una stazione spaziale come la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Lì, la formazione e lo sviluppo della turbolenza potrebbero essere studiati per periodi di tempo molto più lunghi a gravità zero - un altro importante tassello del puzzle nella comprensione della formazione dei pianeti.
Alle origini del sistema solare
La ricerca utilizza diversi approcci per capire come si formano i sistemi planetari. Con i moderni telescopi è possibile osservare i dischi protoplanetari in orbita attorno a una stella e, confrontando dischi di età diversa, è possibile determinarne le proprietà e l’evoluzione. Dal punto di vista teorico, le simulazioni al computer descrivono matematicamente e fisicamente l’evoluzione del disco e la formazione dei pianeti. Tuttavia, nessuna di queste simulazioni è in grado di esaminare i dischi con una risoluzione così alta da rendere visibili le strutture più piccole al loro interno. nel nostro sistema solare, comete e asteroidi testimoniano la fase iniziale del nostro sistema e forniscono indizi sulla composizione e sulla struttura dei planetesimi, ma non possiamo ancora studiare direttamente il loro sviluppo iniziale", afferma Antoine Pommerol dell’Università di Berna. solo gli esperimenti possono colmare questa lacuna di conoscenza e rivelare i dettagli cruciali del movimento della polvere e del gas su scale spaziali e temporali così piccole che non possono essere osservate direttamente". Il nuovo esperimento non solo fornisce una conferma diretta che un fenomeno a lungo teorizzato può verificarsi in condizioni simili a quelle dei dischi protoplanetari, ma aiuterà anche a migliorare i modelli teorici e a perfezionare le simulazioni. questo a sua volta ci aiuterà a comprendere meglio il quadro generale della formazione dei sistemi planetari e, in ultima analisi, a spiegare come il nostro sistema solare e la Terra stessa si siano formati miliardi di anni fa da una nube di polvere e gas", afferma Capelo.
I frutti della collaborazione nazionale in Svizzera
realizzare un esperimento così innovativo è stata una sfida importante", afferma Capelo. Mentre il NCCR PlanetS ha finanziato lo sviluppo iniziale del progetto, ogni istituzione partecipante ha contribuito al progetto con le proprie competenze: dalla capacità dell’Università di Berna di costruire strumenti, alla competenza dell’Università di Zurigo nella teoria della formazione dei pianeti, all’esperienza del Politecnico di Zurigo nell’osservazione e nell’analisi di laboratorio di piccoli corpi celesti del sistema solare.
Anche l’esperienza dell’UZH Space Hub, dei programmi ESA/PRODEX e di Novespace nella preparazione e nell’esecuzione dei voli parabolici è stata una parte importante del progetto. nel complesso, la capacità delle istituzioni svizzere di unire le forze in modo efficiente e di collaborare strettamente a questo progetto ha portato al suo notevole successo e ai progressi nella comprensione della fisica fondamentale della formazione dei pianeti. Questi risultati aprono la strada alla speranza di osservare tali meccanismi nel cosmo", conclude Capelo.
