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Cosa hanno scoperto gli scienziati dopo aver setacciato la polvere nel sistema solare

Proprio come la polvere si accumula negli angoli e lungo gli scaffali delle nostre case, anche la polvere si accumula nello spazio. Ma quando la polvere si deposita nel sistema solare, è spesso in anelli. Diversi anelli di polvere circondano il Sole. Gli anelli tracciano le orbite dei pianeti, la cui gravità rimorchia la polvere attorno al Sole, mentre si sposta verso il centro del sistema solare.

La polvere consiste di resti schiacciati dalla formazione del sistema solare, circa 4,6 miliardi di anni fa: macerie da collisioni di asteroidi o briciole di comete ardenti. La polvere è dispersa in tutto il sistema solare, ma si raccoglie in anelli granulosi che sovrastano le orbite della Terra e Venere, anelli che possono essere visti con i telescopi sulla Terra. Studiando questa polvere di cosa è fatta, da dove viene e come si muove nello spazio – gli scienziati cercano indizi per comprendere la nascita dei pianeti e la composizione di tutto ciò che vediamo nel sistema solare.

Due recenti studi riportano nuove scoperte di anelli di polvere nel sistema solare interno. Uno studio utilizza i dati della NASA per delineare le prove di un anello di polvere attorno al Sole all’orbita di Mercurio. Un secondo studio della NASA identifica la probabile fonte dell’anello di polvere all’orbita di Venere: un gruppo di asteroidi mai rilevati prima che orbitano in co-orbita con il pianeta.

“Non capita tutti i giorni di scoprire qualcosa di nuovo nel sistema solare interno”, ha dichiarato Marc Kuchner, autore dello studio di Venere e astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Questo è giusto nel nostro quartiere.”

 

diversi anelli di polvere circondano il Sole
In questa illustrazione, diversi anelli di polvere circondano il Sole. Questi anelli si formano quando la gravità dei pianeti trascina i granelli di polvere in orbita attorno al Sole. Recentemente, gli scienziati hanno rilevato un anello di polvere all’orbita di Mercurio. Altri ipotizzano che la fonte dell’anello di polvere di Venere sia un gruppo di asteroidi co-orbitali mai individuati prima. Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA / Mary Pat Hrybyk-Keith

Un altro anello attorno al sole

Guillermo Stenborg e Russell Howard, entrambi scienziati del solare presso il Naval Research Laboratory di Washington, non hanno deciso di trovare un anello di polvere. “L’abbiamo trovato per caso”, disse Stenborg ridendo. Gli scienziati hanno riassunto le loro scoperte in un documento pubblicato su The Astrophysical Journal il 21 novembre 2018.

Descrivono le prove di una sottile foschia di polvere cosmica sull’orbita di Mercurio, formando un anello largo circa 9,3 milioni di miglia. Mercurio – largo 3.030 miglia, abbastanza grande da consentire agli Stati Uniti continentali di allungarsi – guada attraverso questa vasta pista di polvere mentre circonda il sole.

Ironia della sorte, i due scienziati hanno inciampato nell’anello di polvere mentre cercavano prove di una regione priva di polvere vicino al Sole. A una certa distanza dal Sole, secondo una predizione vecchia di decenni, il potente calore della stella dovrebbe vaporizzare la polvere, spazzando un intero spazio. Sapere dove si trova questo confine può rivelare agli scienziati la composizione della polvere stessa e suggerire come si formano i pianeti nel giovane sistema solare.

 

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Gli scienziati pensano che i pianeti inizino come meri grani di polvere. Emergono dai giganteschi dischi di gas e polvere che circondano le giovani stelle. La gravità e le altre forze fanno sì che il materiale all’interno del disco si scontrino e si coalizzi. (illustrazione) Crediti: il Jet Propulsion Laboratory della NASA

Finora, non è stata trovata alcuna prova di spazio privo di polvere, ma in parte perché sarebbe difficile da rilevare dalla Terra. Indipendentemente da come gli scienziati guardano dalla Terra, tutta la polvere tra noi e il Sole si mette di mezzo, ingannandoli nel pensare che forse lo spazio vicino al Sole sia più polveroso di quello che realmente è.

Stenborg e Howard hanno pensato che avrebbero potuto aggirare questo problema costruendo un modello basato su immagini dello spazio interplanetario dal satellite STEREO della NASA – abbreviazione di Solar and Terrestrial Relations Observatory.

Alla fine, i due volevano testare il loro nuovo modello in preparazione per la sonda solare Parker della NASA , che attualmente sta volando su un’orbita altamente ellittica attorno al Sole, oscillando sempre più vicino alla stella nei prossimi sette anni. Volevano applicare la loro tecnica alle immagini che Parker invierà sulla Terra e vedere come si comporta la polvere vicino al Sole.

Gli scienziati non hanno mai lavorato con i dati raccolti in questo territorio inesplorato, così vicino al Sole. Modelli come Stenborg e Howard forniscono un contesto cruciale per la comprensione delle osservazioni di Parker Solar Probe, oltre a suggerire quale tipo di ambiente spaziale si troverà nella navicella spaziale: fuligginoso o scintillante.

Due tipi di luce si presentano nelle immagini STEREO: la luce proveniente dall’atmosfera esterna del Sole, chiamata corona, e la luce riflessa da tutta la polvere che fluttua nello spazio. La luce del sole riflessa da questa polvere, che orbita lentamente dal Sole, è circa 100 volte più luminosa della luce coronale.

“Non siamo davvero persone di polvere”, ha detto Howard, che è anche lo scienziato principale per le telecamere di STEREO e Parker Solar Probe che fotografano la corona. “La polvere vicino al Sole si manifesta nelle nostre osservazioni e, in generale, l’abbiamo buttata via”. Scienziati solari come Howard – che studiano l’attività solare per scopi quali la previsione di un tempo spaziale imminente, incluse gigantesche esplosioni di materiale solare che Il sole a volte può spedire la nostra strada – hanno passato anni a sviluppare tecniche per rimuovere l’effetto di questa polvere. Solo dopo aver rimosso la leggera contaminazione dalla polvere, possono vedere chiaramente cosa sta facendo la corona.

I due scienziati hanno costruito il loro modello come uno strumento per gli altri per sbarazzarsi della polvere fastidiosa in STEREO – e alla fine Parker Solar Probe – immagini, ma la previsione dello spazio privo di polvere indugiava nella parte posteriore delle loro menti. Se potessero escogitare un modo per separare i due tipi di luce e isolare lo splendore della polvere, potrebbero capire quanta polvere c’era davvero. Trovando che tutta la luce in un’immagine proveniva dalla corona da sola, per esempio, poteva indicare che avevano finalmente trovato lo spazio privo di polvere.

L’anello di polvere di Mercury era una scoperta fortunata, una scoperta laterale che Stenborg e Howard fecero mentre stavano lavorando alla loro modella. Quando hanno usato la loro nuova tecnica sulle immagini STEREO, hanno notato uno schema di luminosità migliorata lungo l’orbita di Mercurio – più polvere, cioè – nella luce che altrimenti avrebbero pianificato di scartare.

“Non era una cosa isolata”, ha detto Howard. “Tutto intorno al Sole, indipendentemente dalla posizione della nave spaziale, potremmo vedere lo stesso aumento del 5% della luminosità della polvere o della densità. Detto questo c’era qualcosa, ed è qualcosa che si estende tutto intorno al Sole. ”

Gli scienziati non hanno mai pensato che un anello potesse esistere lungo l’orbita di Mercurio, il che forse è il motivo per cui non è stato rilevato fino ad ora, ha detto Stenborg. “La gente pensava che Mercurio, a differenza di Terra o Venere, fosse troppo piccolo e troppo vicino al Sole per catturare un anello di polvere”, ha detto. “Si aspettavano che il vento solare e le forze magnetiche del Sole avrebbero spazzato via la polvere in eccesso dall’orbita di Mercurio”.

Con una scoperta inaspettata e un nuovo strumento sensibile alla loro portata, i ricercatori sono ancora interessati alla zona senza polvere. Mentre Parker Solar Probe continua la sua esplorazione della corona, il loro modello può aiutare gli altri a rivelare altri coniglietti di polvere in agguato vicino al Sole.

Asteroidi nascosti nell’orbita di Venere

Questa non è la prima volta che gli scienziati hanno trovato un anello di polvere nel sistema solare interno. Venticinque anni fa, gli scienziati hanno scoperto che la Terra orbita attorno al Sole all’interno di un gigantesco anello di polvere. Altri hanno scoperto un anello simile vicino all’orbita di Venere, utilizzando prima i dati di archivio dalle sonde spaziali Helios tedesco-americane nel 2007, e confermandolo poi nel 2013, con dati STEREO .

Da allora, gli scienziati hanno determinato che l’anello di polvere nell’orbita terrestre proviene in gran parte dalla fascia degli asteroidi, la vasta regione a forma di ciambella tra Marte e Giove dove vive la maggior parte degli asteroidi del sistema solare. Questi asteroidi rocciosi si scontrano costantemente l’uno con l’altro, facendo scivolare la polvere che si addentra più profondamente nella gravità del Sole, a meno che la gravità della Terra non trascini la polvere, nell’orbita del nostro pianeta.

All’inizio sembrava probabile che l’anello di polvere di Venere si fosse formato come quello terrestre, dalla polvere prodotta altrove nel sistema solare. Ma quando l’astrofisico Goddard Petr Pokorny ha modellato la polvere che si dirige a spirale verso il Sole dalla fascia degli asteroidi, le sue simulazioni hanno prodotto un anello che corrispondeva alle osservazioni dell’anello della Terra – ma non di Venere.

Questa discrepanza lo spinse a chiedersi se non fosse la fascia degli asteroidi, da dove viene la polvere nell’orbita di Venere? Dopo una serie di simulazioni, Pokorny e il suo partner di ricerca Marc Kuchner hanno ipotizzato che provenga da un gruppo di asteroidi mai rilevati che orbitano attorno al Sole insieme a Venere. Hanno pubblicato il loro lavoro su The Astrophysical Journal Letters il 12 marzo 2019.

Questa visualizzazione mostra una simulazione dell’anello della polvere all’orbita di Venere attorno al Sole. Gli scienziati ipotizzano che un gruppo di asteroidi mai rilevati prima in orbita attorno al Sole con Venere siano responsabili della fornitura dell’anello antipolvere di Venere. Crediti: Scientific Visualization Studio della NASA / Tom Bridgman

“Penso che la cosa più eccitante di questo risultato sia che suggerisce una nuova popolazione di asteroidi che probabilmente contiene indizi su come si è formato il sistema solare”, ha detto Kuchner. Se Pokorny e Kuchner possono osservarli, questa famiglia di asteroidi potrebbe far luce sulla Terra e sulle prime storie di Venere. Visto con gli strumenti giusti, gli asteroidi potrebbero anche svelare indizi sulla diversità chimica del sistema solare.

Poiché è disperso su un’orbita più grande, l’anello di polvere di Venere è molto più grande di quello appena rilevato da Mercurio. Circa 16 milioni di miglia da cima a fondo e 6 milioni di miglia di larghezza, l’anello è disseminato di polvere i cui grani più grossi hanno grosso modo le dimensioni di quelli in carta vetrata grossa. È circa il 10 percento più denso di polvere rispetto allo spazio circostante. Eppure, è diffuso – impacchetta tutta la polvere sul ring, e tutto quello che ottieni è un asteroide di due miglia di diametro.

Utilizzando una dozzina di diversi strumenti di modellazione per simulare il modo in cui la polvere si muove attorno al sistema solare, Pokorny ha modellato tutte le fonti di polvere a cui poteva pensare, cercando un anello di Venere simulato che corrisponda alle osservazioni. L’elenco di tutte le fonti ha provato suona come un appello di tutti gli oggetti rocciosi del sistema solare: asteroidi della fascia principale , comete Nube di Oort , Halley-tipo comete , comete della famiglia di Giove , collisioni recenti nella fascia degli asteroidi.

 

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Gli asteroidi rappresentano i blocchi di costruzione dei pianeti rocciosi del sistema solare. Quando si scontrano nella fascia degli asteroidi, spargono polvere che disperde attraverso il sistema solare, che gli scienziati possono studiare per trovare indizi sulla storia dei pianeti. (illustrazione) Crediti: Laboratorio Immagine Concettuale di Goddard Space Flight Center della NASA

“Ma nessuno di loro ha funzionato”, ha detto Kuchner. “Così, abbiamo iniziato a inventare le nostre fonti di polvere.”

Forse, pensavano i due scienziati, la polvere proveniva da asteroidi molto più vicini a Venere della cintura di asteroidi. Potrebbe esserci un gruppo di asteroidi in orbita attorno al Sole con Venere – nel senso che condividono l’orbita di Venere, ma stanno lontani dal pianeta, spesso dall’altra parte del Sole. Pokorny e Kuchner hanno ragionato un gruppo di asteroidi nell’orbita di Venere che sarebbe potuto passare inosservato fino ad ora perché è difficile puntare i telescopi terrestri in quella direzione, così vicino al Sole, senza interferenze luminose dal Sole.

Gli asteroidi Co-orbitanti sono un esempio di quella che viene chiamata una risonanza, un modello orbitale che blocca orbite diverse, a seconda di come le loro influenze gravitazionali si incontrano. Pokorny e Kuchner hanno modellato molte risonanze potenziali: asteroidi che circondano il Sole due volte per ogni tre orbite di Venere, per esempio, o nove volte per dieci di Venere, e uno per uno. Di tutte le possibilità, un solo gruppo ha prodotto una simulazione realistica dell’anello della polvere di Venere: un branco di asteroidi che occupa l’orbita di Venere, abbinando i viaggi di Venere attorno al Sole uno per uno.

Ma gli scienziati non potevano semplicemente chiamarlo un giorno dopo aver trovato una soluzione ipotetica che funzionasse. “Pensavamo di aver scoperto questa popolazione di asteroidi, ma poi abbiamo dovuto dimostrarlo e mostrare che funziona”, ha detto Pokorny. “Ci siamo emozionati, ma poi ti rendi conto, ‘Oh, c’è così tanto lavoro da fare.'”

Dovevano dimostrare che l’esistenza stessa degli asteroidi ha senso nel sistema solare. Sarebbe improbabile, si rendessero conto, che gli asteroidi in queste speciali orbite circolari vicino a Venere arrivassero da qualche altra parte come la cintura di asteroidi. La loro ipotesi avrebbe più senso se gli asteroidi fossero stati lì fin dall’inizio del sistema solare.

Gli scienziati hanno costruito un altro modello, questa volta a partire da una folla di 10.000 asteroidi vicini a Venere. Hanno fatto avanzare la simulazione in avanti per 4,5 miliardi di anni di storia del sistema solare, incorporando tutti gli effetti gravitazionali di ciascuno dei pianeti. Quando il modello raggiunse l’attuale giorno, circa 800 dei loro test asteroidi sopravvissero alla prova del tempo.

Pokorny considera questo un tasso di sopravvivenza ottimista. Indica che gli asteroidi si sarebbero formati vicino all’orbita di Venere nel caos del primo sistema solare, e alcuni potrebbero rimanere lì oggi, alimentando l’anello di polvere nelle vicinanze.

Il prossimo passo è in realtà appuntare e osservare gli asteroidi sfuggenti. “Se c’è qualcosa lì, dovremmo essere in grado di trovarlo”, ha detto Pokorny. La loro esistenza potrebbe essere verificata con telescopi spaziali come Hubble, o forse imager spaziali interplanetari simili a quelli di STEREO. Quindi, gli scienziati avranno più domande a cui rispondere: quanti di loro ci sono e quanto sono grandi? Spargono continuamente la polvere o c’è stato un solo evento di rottura?

Anelli di polvere intorno ad altre stelle 

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n questa illustrazione, un asteroide si disgrega sotto la potente gravità di LSPM J0207 + 3331, una stella nana bianca situata a circa 145 anni luce di distanza. Gli scienziati pensano che gli asteroidi sbriciolati forniscano gli anelli di polvere che circondano questa vecchia stella. Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA / Scott Wiessinger

La polvere suona che Mercurio e Venere sono solo un pianeta o due di distanza, ma gli scienziati hanno individuato molti altri anelli di polvere in sistemi stellari distanti. Vasti anelli di polvere possono essere più facili da individuare rispetto agli esopianeti e potrebbero essere utilizzati per dedurre l’esistenza di pianeti altrimenti nascosti e persino le loro proprietà orbitali.

Ma interpretare gli anelli di polvere extrasolari non è semplice. “Per modellare e leggere con precisione gli anelli di polvere attorno ad altre stelle, dobbiamo prima capire la fisica della polvere nel nostro cortile”, ha detto Kuchner. Studiando anelli di polvere vicini a Mercurio, Venere e Terra, dove la polvere traccia gli effetti duraturi della gravità nel sistema solare, gli scienziati possono sviluppare tecniche per la lettura tra gli anelli di polvere sia vicini che lontani.

 

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