Sistema Solare: la nube di Oort

L’influenza gravitazionale del Sole si estende 3000 volte più in là, dei pianeti nani conosciuti., fino a circa metà della distanza che ci separa da Proxima Centauri (la stella più vicina conosciuta). E questo spazio non è vuoto, ma contiene un gigantesco serbatoio di comete, materiale residuo della formazione del Sistema Solare, che prende il nome di nube di Oort.

Questa regione è la Siberia del Sistema Solare l’immensa e gelida frontiera i cui abitanti sono esiliati dal dominio del Sole e ricadono a malapena sotto la sua autorità. Le temperature tipiche a mezzogiorno sono appena di 4° sopra lo zero assoluto, e le comete sono in genere distanziate l’una dall’altra di decine di milioni di Km. Il Sole, pur essendo ancora la stella più luminosa fra quelli visibili, non appare più brillante di Venere nel cielo terrestre dopo il tramonto. Non abbiamo mai visto la nube di Oort. Ma è anche vero che nessuno ha mai visto un elettrone; ne deduciamo l’esistenza e le proprietà degli effetti fisici che osserviamo.

Nel caso della nube di Oort, questi effetti sono rappresentati dal continuo stillicidio di comete a lungo periodo e penetrano nel sistema solare interno. L’esistenza della nube di Oort è la risposta a una domanda che ci si è posta fin dall’antichità: che cosa sono le comete, i da dove vengono? Aristotele speculò nel quarto secolo a.C. che le comete fossero nubi di gas luminoso nell’alta atmosfera terrestre, mentre Seneca, nel primo secolo d.C., propose che esse fossero corpi celesti, che percorrevano il loro cammino attraverso il firmamento.

Dovettero passare 15 secoli, prima che la sua ipotesi venisse confermata dall’astronomo danese Tycho Brahe, che confrontò osservazioni della cometa del 1577 compiute in diverse località d’Europa. Se la cometa fosse stato un oggetto vicino, allora da ciascuna località di essa avrebbe avuto una posizione leggermente diversa sullo sfondo delle stelle. Brahe invece non riuscì a rilevare alcuna differenza e concluse che la cometa doveva essere più lontana della luna. Quanto lontana cominciò essere chiaro solo quando gli astronomi riuscirono a calcolare le orbite delle comete. Nel 1705 l’inglese Edmond Halley compilò un primo catalogo di 24 comete. Le osservazioni su cui si basava erano abbastanza rozze, e Halley riuscì solo a far corrispondere parabole molto approssimative alla traiettoria di ciascuna cometa.

Tuttavia, sostenne che le loro orbite potessero essere ellissi allungate intorno al Sole: <>. In un certo senso, la descrizione fatta da Halley di comete circolanti in orbite che si estendevano fino alle stelle anticipava la scoperta della nube di Oort, che avvenne due secoli e mezzo più tardi. Halley notò anche che le comete del 1531, 1607 e 1682 avevano parametri orbitali molto simili e che i loro passaggi erano distanziati da intervalli di circa 76 anni. Egli suppose che queste comete apparentemente distinte fossero in realtà la stessa cometa, che tornava a intervalli regolari. Questo corpo celeste, oggi chiamato cometa di Halley, ha compiuto il suo ultimo passaggio del sistema solare interno nel 1986. Dall’epoca di Halley, gli astronomi hanno suddiviso le comete in due gruppi, a seconda della durata della loro orbita intorno al sole (che è direttamente correlata alla distanza media della cometa dal sole). Le comete di lungo periodo, come le luminose comete Hyakutake e Hale Bop apparsi di recente, hanno periodi orbitali superiori a 200 anni; le altre sono dette comete di breve periodo.

Figura 1 Nell’ultimo decennio gli astronomi hanno ulteriormente suddiviso in due gruppi di comete di breve periodo: quelle della famiglia di Giove, come le comete Enke e Tempel 2, con periodi inferiori a 20 anni; e quelle del periodo intermedio, o di tipo Halley, con periodi compresi tra 20 e 200 anni. Queste definizioni sono in una certa misura arbitrarie, ma riflettono differenze reali. Le comete di periodo intermedio e lungo entrano nel sistema solare interno provenendo da tutte le direzioni in maniera casuale, mentre le comete della famiglia di Giove hanno orbite il cui il piano è tipicamente inclinato di non più di 40° rispetto all’eclittica ossia il piano dell’orbita terrestre.

Le comete di periodo intermedio e lungo sembrano provenire dalla nube di Oort, mentre oggi si ritiene che quelle della famiglia di Giove abbiano origine nella fascia di Kuipier,1 regione dell’eclittica situata oltre l’orbita di Nettuno. Il cupo mondo oltre Plutone All’inizio del ventesimo secolo, erano ormai state calcolate orbite di comete di lungo periodo in numero sufficiente per studiarne la distribuzione statistica. Emerse così un problema. Circa un terzo di tutte le orbite seguite dalle comete nel loro punto di massimo avvicinamento al Sole è iperbolico; il guaio è che un’orbita iperbolica ha origine dello spazio interstellare e poi vi ritorna, al contrario delle orbite ellittiche che sono gravitazionalmente legate al Sole. Il fatto che le orbite fossero iperboliche indusse alcuni astronomi a proporre che le comete si trovassero nello spazio interstellare e venissero catturate da incontri ravvicinati con i pianeti. Per valutare questa ipotesi, si estrapolarono indietro nel tempo le orbite delle comete di lungo periodo e si scoprì che, a causa dell’attrazione gravitazionale al grande raggio esercitata dai pianeti, le orbite attuali, che giungono molto vicine al Sole, non sono quelle originarie.

Nel 1950 un altro olandese, Jan H. Oort, già famoso per aver determinato negli anni ’20 la rotazione della Via Lattea, cominciò a interessarsi al problema. Egli riconobbe che il picco deve rappresentare la fonte delle comete di lungo periodo: una vasta nube sferica e circonda il sistema dei pianeti e si estende fino alla metà della distanza dalle stelle più prossime. Oort dimostrò che le comete della nube sono così debolmente legate al Sole che persino i moti stellari possono facilmente modificarne le orbite. Ogni milione di anni una decina di stelle passa a meno di un parsec (206.000 unità astronomiche) dal Sole. Questi incontri ravvicinati sono sufficienti perturbare le orbite delle comete, rendendone casuale l’inclinazione e inviando una serie continua di questi corpi celesti nel sistema solare interno, su orbite ellittiche molto allungate.

Oggi i ricercatori che si occupano della nube di Oort cercano di chiarire ti problemi principali:
In primo luogo, qual è la sua struttura? Nel 1987 Tremaine, Martin j. Duncan della Queens di University nell’Ontario e Thomas Quinn della Washington University hanno studiato in che modo le perturbazioni stellari e quelle prodotte dalle nubi molecolari ridistribuiscano le comete all’interno della nube di Oort.

Si è visto che le comete ai margini esterni della nube vanno rapidamente perdute, migrando o nello spazio interstellare o nel sistema solare interno, a causa delle perturbazioni e più in profondità e probabilmente esiste un nocciolo relativamente e denso che ha poco a poco ripristina la popolazione e dei margini esterni.
Duncan, Queen e Tremaine hanno dimostrato anche, che, quando le comete provenienti dalla nube di Oort migrano verso il Sole, l’inclinazione delle loro orbite tende a restare immutata.

Questo è uno dei motivi principali per cui gli astronomi oggi ritengono che sia la fascia di Kuiper, anziché la nube di Oort, a dare origine alle comete della famiglia di Giove, con orbite poco inclinate. Tuttavia la nube di Oort è sempre la fonte più probabile delle comete di periodo intermedio e con orbite più inclinate e quali Halley e Swift-Tuttle. Probabilmente un tempo esse erano comete di lungo periodo che sono state trasferite in orbite più brevi dalle perturbazioni planetari.

Quante comete popolano la nube di Oort?

Questo valore dipende dalla velocità con cui le comete vengono perse nello spazio interplanetario. Per giustificare il numero osservato di comete di lungo periodo, di stima che la nube contenga 6 mila miliardi di comete il che rende gli oggetti che popolano questa zona i più numerosi fra i corpi di discrete dimensioni del sistema solare. Solo 1/6 di esse si trova nella regione più esterna, dinamicamente attiva, descritta da Oort; le altre sono contenute nel nocciolo relativamente denso. Se si applica la stima più probabile della massa media di una cometa -circa 40 miliardi di tonnellate – La massa totale delle comete della nube di Oort al momento attuale sarebbe circa 40 volte quella della Terra. Infine, dove hanno avuto origini le comete della nube di Oort?

Di certo non possono essersi formate nella loro posizione attuale, perché a simili distanze dal Sole la materia è troppo rarefatta per condensare. Ne possono essersi originate nello spazio interstellare: la cattura di comete da parte del Sole è molto inefficiente. L’unica possibilità rimanente è il sistema planetario. Oort suppose che le comete si siano formate nella fascia degli asteroidi e mi siano state espulse a opera dei pianeti giganti durante la formazione del sistema solare. Ma le comete sono composte in gran parte di ghiaccio e la fascia degli asteroidi è troppo calda per la loro condensazione. Un anno dopo la pubblicazione del lavoro di Oort, Gerard P. Kuiper dell’Università di Chicago ipotizzò che le comete condensassero più lontano dal Sole, fra i pianeti giganti. (La fascia di Kuiper prende il nome da lui perché egli propose che alcune comete si formassero anche al di là delle più estreme orbite planetarie). Le comete probabilmente hanno avuto origine in tutta la regione dei pianeti giganti, ma un tempo i ricercatori erano convinti che quelle vicine a Giove e a Saturno sarebbero state espulse nello spazio interstellare anziché nella nube di Oort.

Urano e Nettuno, con la loro massa più piccola, non avrebbero invece scagliato molte comete su traiettorie di fuga. Ma studi dinamici più recenti gettano dubbi su questo scenario. Giove e soprattutto Saturno collocano una frazione significativa delle comete loro adiacenti nella nube di Oort. Questa percentuale è presumibilmente più piccola di quella relativa a Urano e Nettuno. Pertanto le comete della nube di Oort potrebbero venire da zone collocate a distanze molto diverse dal Sole e avere quindi un ampio intervallo di temperature di formazione. Ciò potrebbe spiegare in parte la diversità di composizione osservata. In effetti, lavori recenti effettuati da me e da Harold F. Levison del Southwest Research Institute di Boudler nel Colorado hanno dimostrato che la nube potrebbe contenere persino asteroidi provenienti dal sistema solare interno. Questi oggetti, composti soprattutto da roccia anziché ghiaccio, potrebbero costituire il 2-3 % della popolazione totale della nube di Oort. Da chiave di questa ricostruzione e la presenza dei pianeti giganti, scagliando le comete verso l’esterno, e modificano le loro orbite se queste rientrano nella regione occupata dai pianeti. Se altre stelle hanno pianeti giganti, potrebbero possedere una analoga nube di Oort.

E se ciascuna stella avesse la propria nube, allora, nel corso di passaggi stellari ravvicinati, la nube di Oort delle altre stelle passerebbe attraverso quella del Sole. Anche in questo caso le collisioni tra comete devono essere rare, perché la distanza tipica fra due comete e dell’ordine dell’unità astronomica o più. Ogni sistema stellare potrebbe quindi perdere lentamente comete verso lo spazio. Queste comete interstellari dovrebbero essere facilmente riconoscibili se passassero presso il Sole, perché si avvicinerebbero a velocità molto più elevate delle comete della nube di Oort solare. Finora non sono mai state individuate comete interstellari, ma ciò non sorprende: dato che il sistema solare è un bersaglio molto piccolo nella vastità dello spazio, la probabilità che una cometa interstellare sia mai giunta a distanza osservabile è davvero bassa. Da nube di Oort è importante perché conserva un campione di materia risalente ai primordi del sistema solare. Studiando la documentazione cosmo chimica congelata nelle comete, si stanno mettendo in luce preziosi indizi sull’origine del sistema solare. Diverse missioni spaziali in fase di preparazione sveleranno questi segreti.

Possibili candidati ad appartenere alla nube di Oort

Vi sono varie ipotesi od osservazioni relativi a oggetti transnettuniani di grandi dimensioni che orbitano attorno al Sole su di un’orbita particolarmente eccentrica e che siano parte della nube di Oort.

90377 Sedna è un oggetto transnettuniano di dimensioni approssimativamente pari ai due terzi di quelle di Plutone. Gli scopritori sostengono che Sedna sia il primo corpo della nube di Oort a essere osservato, affermando che è troppo lontano dal Sole per essere considerato un oggetto della fascia di Kuiper. Tuttavia è assai più vicino al Sole di quanto ci si attenderebbe da un oggetto della nube di Oort, soprattutto nei pressi del perielio, e la sua inclinazione orbitale non si discosta eccessivamente dall’eclittica. Sedna appartiene piuttosto alla nube di Oort interna, una regione relativamente poco spessa situata sul piano dell’eclittica ed estesa dalla fascia di Kuiper sino alla nube esteriore.

2012 VP113 è un planetoide avente magnitudine assoluta di 4,1 forse classificabile come pianeta nano e che ha il più grande perielio conosciuto per un oggetto del sistema solare^]. L’ultimo passaggio al perielio è avvenuto attorno al 1979, a una distanza di 80 AU e al momento della scoperta era a 83 AU dal Sole. Sono noti solo altri quattro oggetti del sistema solare aventi perieli superiori a 47 UA: 90377 Sedna (76 UA), 2004 XR190 (51 UA), 2010 GB174 (48 UA) e 2004 VN112 (47 UA). La scarsità di corpi celesti con perieli compresi fra 50 e 75 UA non sembra essere un artefatto legato alle osservazioni.

Di contro, Tyche è il nome dato a un ipotetico pianeta gigante gassoso situato nella nube di Oort, proposto per la prima volta nel 1999 dall’astronomo John Matese dell’Università della Louisiana. L’esistenza di Tyche può essere ipotizzata dallo studio dei punti d’origine delle comete a lungo periodo. Molti astronomi hanno espresso scetticismo circa l’esistenza di questo oggetto. L’analisi condotta sui dati del telescopio spaziale WISE ha escluso l’esistenza di tale pianeta.

Numero	Nome	Diametro equatoriale (km)	Perielio (UA)	Afelio (UA)	Data della scoperta	Scopritore	Metodo usato per la misura del diametro
90377	Sedna	1 180 – 1 800 km	76,1	892	2003	Michael E. Brown, Chad Trujillo, David L. Rabinowitz	termico
_	2012 VP113	_	80,6	446	2012	Chad Trujillo, Scott Sheppard	—
148209	(148209) 2000 CR105	265 km	44,3	397	2000	Lowell Observatory	—

Perturbazioni stellari e ipotesi di compagni stellari

Oltre alla marea galattica , si ritiene che il principale fattore scatenante per l’invio di comete nel Sistema Solare interno sia l’interazione tra la nuvola di Oort del Sole e i campi gravitazionali delle stelle vicine o nuvole molecolari giganti. L’orbita del Sole attraverso il piano della Via Lattea a volte la porta relativamente vicino ad altri sistemi stellari . Ad esempio, si ipotizza che 70 mila anni fa, forse la stella di Scholz sia passata attraverso la nuvola di Oort esterna (sebbene la sua bassa massa e l’alta velocità relativa ne abbiano limitato l’effetto). Nei prossimi 10 milioni di anni è la stella nota con la più grande possibilità di perturbare la nuvola di Oort Gliese 710 . Questo processo potrebbe anche spargere oggetti nuvola di Oort fuori dal piano eclittico, spiegando potenzialmente anche la sua distribuzione sferica.

Nel 1984, il fisico Richard A. Muller postulò che il Sole ha un compagno finora inosservato, un nano bruno o un nano rosso , in un’orbita ellittica all’interno della nuvola di Oort. Si ipotizzava che questo oggetto, noto come Nemesis , passasse attraverso una porzione della nuvola di Oort ogni 26 milioni di anni circa, bombardando il Sistema Solare interno di comete. Tuttavia, fino ad oggi non è stata trovata alcuna prova di Nemesis o della nuvola di Oort e molte linee di prova (come i conteggi dei crateri ), hanno messo in dubbio la loro esistenza. Recenti analisi scientifiche non supportano più l’idea che le estinzioni sulla Terra avvengano a intervalli regolari e ripetuti. Pertanto, l’ipotesi di Nemesis non è più necessaria per spiegare le ipotesi attuali.

Un’ipotesi un po ‘simile fu avanzata dall’astronomo John J. Matese dell’Università della Louisiana a Lafayette nel 2002. Sostiene che più comete stanno arrivando nel Sistema Solare interno da una particolare regione della nuvola di Oort postulato di quanto possa essere spiegato dalla galattica perturbazioni stellari o stellari da sole e che la causa più probabile sarebbe un oggetto di massa di Giove in un’orbita lontana. Questo ipotetico gigante gassoso fu soprannominato Tyche . La missione WISE , un’indagine a cielo aperto che utilizzava misure di parallasse per chiarire le distanze delle stelle locali, era in grado di dimostrare o smentire l’ipotesi di Tyche. Nel 2014, la NASA ha annunciato che il sondaggio WISE aveva escluso qualsiasi oggetto così come lo avevano definito.

Esplorazione futura

Le sonde spaziali devono ancora raggiungere l’area della nuvola di Oort. Il Voyager 1 , il più veloce e il più lontano delle sonde spaziali interplanetarie che attualmente lasciano il Sistema Solare, raggiungerà la nuvola di Oort in circa 300 anni e impiegherebbe circa 30.000 anni a passare attraverso esso. Tuttavia, verso il 2025, i generatori termoelettrici del radioisotopo sul Voyager 1 non forniranno più energia sufficiente per far funzionare nessuno dei suoi strumenti scientifici, impedendo ulteriori esplorazioni da parte del Voyager 1. Le altre quattro sonde attualmente in fuga dal sistema solare o sono già o sono previsti non funzionali quando raggiungono il cloud Oort; tuttavia, potrebbe essere possibile trovare un oggetto dalla nuvola che è stato lanciato nel sistema solare interno.

Negli anni ’80 c’era un concetto per una sonda di raggiungere 1.000 au in 50 anni chiamato TAU ; tra le sue missioni sarebbe quella di cercare la nuvola di Oort.

Nell’annuncio del 2014 di Opportunity for the Discovery , è stato proposto un osservatorio per rilevare gli oggetti nella nuvola di Oort (e la cintura di Kuiper) chiamato “Whipple Mission” . Monitorerebbe le stelle distanti con un fotometro, cercando transiti fino a 10.000 au di distanza.  L’osservatorio è stato proposto per l’alone in orbita intorno a L2 con una missione suggerita di 5 anni.  È stato anche suggerito che l’ osservatorio di Keplero avrebbe potuto rilevare oggetti nella nuvola di Oort.

Sonda spaziale TAU: Era una proposta di veicolo spaziale nucleare elettrico a razzo che utilizzava un reattore a fissione da 1 MW e un azionamento ionico (con un tempo di combustione di circa 10 anni) per raggiungere una distanza di 1000 UA in 50 anni.  L’obiettivo principale della missione era migliorare le misure di parallasse delle distanze dalle stelle all’interno e all’esterno della Via Lattea , con obiettivi secondari come lo studio dell’eliopausa , la misurazione delle condizioni nel mezzo interstellare e (tramite comunicazioni con la Terra ) test di relatività generale.

Uno dei compiti previsti per TAU sarebbe un sorvolo di Plutone. Un sorvolo di Plutone è stato realizzato nel 2015 dalla missione del programma New Frontiers New Horizons . Alcuni degli strumenti proposti per la progettazione includevano un telescopio da 1,5 metri per le osservazioni e un telescopio da 1 metro per la comunicazione laser con la Terra. Dopo il lancio accelererebbe a circa 106 km / s (circa 22,4 UA / anno, o ~ 0,0004% la velocità della luce) in 10 anni, utilizzando lo xeno come propellente e un reattore a fissione nucleare per l’alimentazione.

Focus – Come funziona l’universo: Edge of solar system