L’evoluzione della polvere nei dischi protoplanetari è un dato essenziale per la nostra comprensione di quei processi che hanno portato alla formazione planetaria. Come avviene la formazione planetaria? Quanto il Sistema solare può essere considerato ordinario rispetto ad altri? Queste sono solo alcune delle domande in attesa di risposta. Adesso abbiamo, però, una visione più chiara di quanto avvenga nelle prime fasi nelle ricche regioni di formazione stellare.
L‘Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) sta contribuendo enormemente alla comprensione di tali importanti fasi, grazie alla sua elevata capacità di indagare le polveri fredde nelle zone intermedie dei dischi circumstellari. Il modo migliore per farlo è rilevare ad alta risoluzione le emissioni provenienti dalle strutture interne ai dischi, come anelli, lacune, formazioni a spirale. La sensibilità di Alma ha permesso di indagare centinaia di queste giovani stelle con i loro sistemi planetari in formazione.
Un gruppo di astronomi, guidato da Sierk van Terwisga del Max Planck Institute for Astronomy, ha analizzato la distribuzione di massa in oltre 870 dischi di formazione di pianeti nella nube molecolare Orion A.
L’ambiente è importante
Grazie all’ampio campione statistico, lo studio ha rivelato che ognuno dei dischi indagati è, a suo modo, un’istantanea dei processi che ne vincolano l’evoluzione a una certa età. Pertanto, confrontando i dischi, l’evoluzione della polvere può essere caratterizzata empiricamente. Le proprietà osservate in una data regione di formazione stellare sembrano essere principalmente spiegate dall’età di quella regione e dalla presenza di forti campi di radiazione UV, provenienti da giovani stelle di tipo O nelle loro vicinanze.
“Finora non sapevamo con certezza quali proprietà dominassero l’evoluzione dei dischi di formazione dei pianeti attorno alle giovani stelle. I nostri nuovi risultati ora indicano che in ambienti senza alcuna influenza esterna rilevante, la massa del disco osservata disponibile per la formazione di nuovi pianeti dipende solo dall’età del sistema del disco stellare”, afferma van Terwisga.
Il ruolo della fotoevaporazione
In tali ambienti con forte presenza di radiazione UV, dopo 1-3 milioni di anni, i dischi di polveri sono ridotti a poche masse terrestri disponibili per la formazione di pianeti. Questo processo erosivo (più tecnicamente, definito fotoevaporazione) è stato frequentemente osservato in tutte le regioni di formazione stellare vicine, sempre a lunghezze d’onda submillimetriche.
Nelle zone interne agli ammassi aperti, dove si formano di norma le stelle più massicce, anche la formazione planetaria sembra essere meno efficiente per via dell’impatto che queste calde stelle hanno sulla sopravvivenza dei loro dischi protoplametari. Comunque, questo tipo di ambienti sono in minoranza in una regione di formazione stellare.
Meglio star lontani dalle stelle massicce
Questo si osserva benissimo nella regione del Trapezio nel cuore della Nebulosa di Orione (M42) dove è stato osservato un aumento di massa disponibile nei dischi protoplanetari a distanze proporzionalmente maggiori dall’ammasso centrale di poche caldissime stelle. Ciò prova che le masse del disco protoplanetario sono fortemente influenzate, non solo dalla loro età, ma dalla forte radiazione ultravioletta. Anche nel giovane ammasso aperto NGC 2024, che contiene diverse stelle massicce di tipo O, vi è una chiara evidenza che la fotoevaporazione dei dischi protoplanetari è importante.
I dischi nascono uguali?
Tuttavia, alcune questioni chiave restano aperte, nonostante gli importanti risultati di queste indagini. In particolare, è difficile dire se i dischi si formano con una distribuzione di massa iniziale universale, per poi evolvere in modo simile in assenza di erosione esterna, o se diverse regioni di formazione stellare abbiano differenti proprietà iniziali del disco o tassi di perdita di massa, anche se non significativi. Le forti somiglianze tra le distribuzioni di massa del disco in varie regioni di formazione stellare approssimativamente della stessa età e tra le popolazioni più antiche supportano questa tesi.
Questo problema è esacerbato dal numero relativamente piccolo di regioni che sono state studiate. Tuttavia, le dimensioni del campione sono troppo piccole per essere trattate indipendentemente in ogni nuvola separata. I limiti fisici sulle dimensioni complete del campione nelle vicine regioni di formazione stellare sono quindi un problema chiave nella nostra comprensione dettagliata dell’evoluzione dei dischi protoplanetari.
Lo studio di Orion A
Posta a 1350 anni luce, Orion A è uno di tali luoghi dove intensa è la formazione di nuove stelle e dischi protoplanetari (proplyd). All’interno di Orion A, la questione della distribuzione iniziale della massa del disco è altrettanto evidente. Il gran numero di Young Stellar Objects (YSO) rende questa regione perfetta per studiare le proprietà di grandi campioni di dischi.
Un’altra ragione per cui Orion A è così prezioso per le osservazioni dei dischi protoplanetari è che esiste una ricchezza di informazioni complementari provenienti da differenti strumenti operativi a diverse lunghezze d’onda che ne facilitano lo studio. Il campione deriva infatti da precedenti sondaggi in infrarosso con il Telescopio spaziale Herschel, cui si deve l’identificazione dei dischi. La combinazione di diverse lunghezze d’onda ha fornito un criterio per stimare l’età delle strutture. Poiché appartengono tutti alla stessa nube molecolare, la chimica comune non dovrebbe avere molta influenza nel processo. Data la nota correlazione tra il disco e le masse stellari, è anche importante che la distribuzione della massa stellare in Orion A sia stata trovata simile a quella di altre regioni di formazione planetaria vicine.
Le osservazioni con Alma
Lo studio, denominato Survey of Orion Disks with ALMA (Soda) è stato svolto su 873 dischi protoplanetari nelle nubi classificate L1641 e L1647 alla frequenza di 225 GHz (o 1,2 mm). A questa frequenza i dischi freddi manifestano la maggiore emissione e sono più agevoli da osservare. Tuttavia, esse sono insensibili a oggetti molto più grandi di pochi millimetri, ad esempio rocce e pianeti.
Queste osservazioni consentono di caratterizzare la distribuzione di massa dell’intera parte meridionale di Orion A e permettono di determinare la distribuzione della massa del disco per gli YSO in grado di formare pianeti.
Soda ha fornito un campione ampio e ben caratterizzato di dischi protoplanetari, che ha permesso di distinguere i sottili effetti che governano la loro evoluzione a livello di popolazione. Non è un’operazione da poco perché stiamo parlando di un’ingente mole di dati gestibili solo mediante più computer in parallelo. La tecnologia velocizza anche i tempi, quindi l’intera analisi statistica ha richiesto appena un giorno di calcolo.
Utilizzando questi dati, è stata studiata l’evoluzione delle masse del disco, sia all’interno della nuvola, sia nelle vicine regioni di formazione stellare di piccola massa. Orion A contiene dischi in media con centinaio di masse solari ma soltanto 20 di massa maggiore. Ciononostante, la maggioranza si attesta intorno a 2,2 masse terrestri di polveri. Per la prima volta, gli autori forniscono un catalogo completo dei dischi protoplanetari più luminosi a lunghezze d’onda submillimetriche in L1641 e L1647.
Le differenze dipendono dall’età
Anche le differenze in massa su scala delle decine di anni luce sono molto contenute e riconducibili all’età dei dischi. Con l’età la massa disponibile tende a diminuire anche per via della formazione planetaria in corso che attinge polvere dai dischi: gruppi di dischi della stessa età mostrano la stessa distribuzione di massa. Altri processi ben noti sono la migrazione della polvere verso il centro del disco e l’evaporazione della polvere per irraggiamento dalla stella ospite.
(si veda l’immagine seguente).
(Immagine composita ottenuta da Giuseppe Donatiello e Alessandro Falesiedi)
(Giuseppe Donatiello, Alessandro Falesiedi)
Le proprietà straordinariamente omogenee rilevate nei campioni di dischi della stessa età sono una scoperta sorprendente. Il team ha confrontato i risultati ottenuti con quelli di altre regioni vicine di formazione stellare. Tutti si adattano perfettamente alla relazione dell’età di massa che si trova in Orion A, evolvendo in modo analogo. Il risultato potrebbe anche suggerire la formazione di sistemi planetari sorprendentemente simili.
