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Astronomia – parte quarta: Il Sistema Solare, Nascita E Struttura

Continua il corso di Astronomia con la collaborazione di Marco Alemanno, una buona lettura(ndr)

 

Introduzione

Ben ritrovati, dopo aver visto come le stelle e i vari elementi dell’Universo si assemblino formando le galassie adesso usiamo un potente teleobiettivo per scrutare un punto preciso della nostra galassia. Soffermiamoci su una stella media di color giallo-arancio che si trova verso la periferia galattica anche se a guardarla da lontano sembra una delle tante miliardi di stelle della Via Lattea. Questa però non è una semplice stella, è molto di più, si chiama Sole e contiene otto pianeti compreso il nostro, è la stella di casa, la nostra energia, il nostro calore, il nostro sostentamento. Scopriamo come si è formato il sistema solare e tutto quello che contiene.

 

Il sistema solare visto nell’antichità

Il sistema solare è una “struttura” molto complessa visto che fino a 30 anni fa non si conoscevano ancora i suoi reali confini. Si pensava che il pianeta nano Plutone rappresentasse l’oggetto più distante dal Sole. In realtà nel 2005 venne scoperto un altro planetoide simile a Plutone, chiamato Eris ed ancora più distante. Eris si trova nella cosiddetta “Fascia di Kuiper”, una zona fredda e remota oltre Plutone. La scoperta è stata possibile grazie allo sviluppo tecnologico recente,  con l’impiego di telescopi sempre più potenti e con il lancio di sonde nello spazio, ma nel passato il nostro sistema solare era per molti un vero tabù. I popoli antichi vedevano il Sole come una divinità, lo veneravano e lo temevano allo stesso tempo. I primi a studiare il cielo furono i greci, per la teoria “geocentrica” dell’astronomo Tolomeo la Terra era al centro dell’Universo e il Sole e gli altri pianeti giravano attorno ad essa. Poi venne il turno di Copernico che con la sua teoria “eliocentrica” ipotizzò che fosse il Sole al centro con i pianeti orbitanti attorno ad esso. Il vero grande “genio” fu il nostro Galileo Galilei che scoprì il metodo scientifico moderno, grazie all’invenzione del primo telescopio a lenti e alle prime osservazioni dirette alla Luna e a Giove. Successivamente Newton nel diciassettesimo secolo attraverso le prime leggi di gravitazione universale fu in grado di descrivere i moti di tutti gli oggetti, che siano corpi celesti o terrestri. Newton fu anche il primo inventore del telescopio a specchi (chiamato tutt’ora riflettore o Newtoniano, in suo onore). Vi sono state diverse teorie sulla nascita del sistema solare, ma quella che oggi viene riconosciuta dalla quasi totalità della comunità scientifica è la teoria nebulare di Laplace. Andiamo a conoscerla.

 

Nascita del Sole

Il Sole è una stella di media grandezza e di mezza età. E’ nato circa 4,5 miliardi di anni fa da una nebulosa planetaria, il resto cioè della morte di una stella di medie dimensioni. Questa specie di “fornace termonucleare” vivrà ancora per circa 5 miliardi di anni, continuando a bruciare idrogeno ed elio e a produrre energia e calore. Abbiamo visto nei precedenti articoli che le stelle nascono dalle nebulose, nubi attive di gas e polveri. Queste nubi, che hanno un ampiezza di diversi anni luce, vengono “attivate” da altre stelle vicine tramite il vento solare o la loro stessa morte. La forza di gravità le addensa e le riscalda finché nella nube avviene una rotazione sempre più veloce e la protostella comincia a collassare. Il vortice aumenta sempre più e quando gli atomi di idrogeno raggiungono i 10 milioni di gradi si fondono in elio, stabilizzando il processo e generando la stella. Questa formazione avviene in tempi molto lunghi, le regole dell’Universo non hanno certo fretta. L’azione combinata della rotazione della nebulosa con la contrazione porta alla formazione di un sottile disco circolare piuttosto appiattito chiamato “disco di accrescimento” tenuto in orbita dalla forza di gravità della stella e dalla velocità di rotazione (momento angolare). Nel suo interno troviamo tutto il materiale inutilizzato dalla stella, da questo materiale nasceranno tutti i pianeti e gli altri oggetti che ruotano attorno al Sole, tutt’oggi.

 

Formazione dei pianeti

Ci domandiamo adesso, ma a cosa è dovuta la differenza di composizione e dimensione dei pianeti? Come mai quelli rocciosi stanno all’interno e quelli gassosi all’esterno, i primi sono più piccoli mentre i secondi sono enormi? La risposta è nella temperatura. Per le leggi della fisica, differenti tipi di materiali si condensano a temperature differenti. Nelle parti interne della nebulosa solare la temperatura era inizialmente di qualche migliaio di gradi, così alta che la maggior parte del gas e ghiaccio non poté condensare in forma solida. Solo i metalli e i silicati poterono formare grani solidi e dare pertanto inizio alla fase di accrescimento dei pianeti interni. A causa della forza di gravità, i piccoli grani di materia raggiunsero ben presto le dimensioni di ciottoli e poi di asteroidi chiamati planetesimi. Successivamente dalle collisioni tra planetesimi si formarono i  “protopianeti”, oggetti di dimensione e massa simili a quelli della Luna. I corpi più grandi ebbero la meglio a scapito di quelli più piccoli che furono inglobati oppure espulsi verso le zone più esterne del sistema planetario in formazione. Le parti esterne della nebulosa invece erano ricche di gas e altri elementi più leggeri, arrivati fin qui dal vento solare, dunque le basse temperature favorirono la condensazione di vapori d’acqua su grani di ghiaccio. Senza grandi collisioni e interferenze e a causa dell’abbondanza di materia gassosa questi cumuli non trovarono ostacoli per la loro crescita, si raffreddarono e addensarono in pianeti estremamente massicci e con enormi quantità di ghiaccio. Attenzione però, si sta parlando di ghiaccio ma non per forza di acqua ghiacciata come la conosciamo sul nostro pianeta. Per gli scienziati il ghiaccio è solo una delle tante forme della materia, come ad esempio lo stato gassoso, il solido e il liquido. Oltre all’acqua ghiacciata, che si trova ad esempio sulla luna di Giove chiamata Europa, esistono altri elementi sotto forma di ghiaccio, come il metano su Titano (la luna di Saturno), l’ammoniaca, l’azoto. Dunque per ghiaccio intendiamo lo stato degli elementi sottoposti a temperature critiche.

 

Pianeti interni ed esterni

Dopo aver visto le caratteristiche chimico-fisiche dei pianeti, andiamo a vederli più da vicino. I pianeti del sistema solare sono otto. Nell’ordine, dal più vicino al più lontano dal sole: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno. I pianeti “rocciosi” o terrestri sono i primi  quattro, si trovano nella zona più interna del sistema solare e relativamente vicini tra di loro. Terra e Venere hanno dimensioni quasi uguali, Marte è circa la metà della Terra mentre Mercurio è ancora più piccolo. Questi pianeti hanno in comunque diversi aspetti, sono molto densi e possiedono un’atmosfera che ne avvolge la superficie ma che costituisce solo una piccola parte della loro massa totale. Le loro atmosfere sono costituite in massima parte da molecole “pesanti” come l’anidride carbonica, l’ossido di carbonio, l’azoto molecolare ed il vapore acqueo. Essi hanno dunque una superficie solida, cioè si può benissimo camminarci sopra. Altra caratteristica che li accomuna è l’intensa attività geologica, per la Terra tuttora in atto, sviluppata sin dalla loro formazione. Questo ha prodotto effetti non solo sulla superficie ma anche sulla loro struttura interna differenziando i quattro pianeti e i loro campi magnetici. I pianeti “gassosi”, che sono quelli più esterni del sistema solare, sono dei veri e propri giganti in confronto a quelli terrestri. Questo è dovuto alla quantità maggiore presente nella zona esterna del disco dove essi si sono formati. I pianeti gassosi sono Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Hanno orbite molto più esterne rispetto ai pianeti interni, dunque sono molto più distanti dal Sole e sono dei veri e propri colossi. Basti pensare a Giove (il più grande di tutti), è talmente immenso che al suo interno potrebbe contenere più di 1 milione di terre, date le sue dimensioni e i suoi elementi è a tutti gli effetti una stella mancata. Dopo Giove il secondo pianeta per dimensioni è Saturno, mentre Urano e Nettuno sono un po’ più piccoli e simili tra loro. I pianeti gassosi sono composti principalmente da idrogeno ed elio (proprio come le stelle) ed hanno densità molto più piccole rispetto ai pianeti rocciosi. Manca una distinzione tra interno ed atmosfera per cui la loro caratteristica principale è l’assenza di una superficie solida, non potremmo dunque atterrarci sopra. Probabilmente hanno dei nuclei solidi e rispetto ai pianeti interni dispongono di un gran numero di satelliti per il fatto che essendo molto più grandi hanno una forza di attrazione maggiore. I pianeti giganti si sono formati a temperature così basse che le parti ghiacciate sono state catturate immediatamente e quindi, insieme agli elementi pesanti, sono sprofondati nel nucleo dei pianeti. Questi pianeti dunque sono una miscela di rocce, silicati e ghiacci.

Le orbite e i moti dei pianeti

La maggior parte dei corpi del Sistema Solare orbitano intorno al Sole su traiettorie che non sono circolari, ma ellittiche (tipo la forma di un uovo). I pianeti si muovono su orbite poco eccentriche, cioè poco schiacciate, e quasi tutti su uno stesso piano (chiamato eclittica) a causa del meccanismo con cui si sono creati durante la formazione del nostro sistema planetario. I pianeti nani e i corpi minori sono invece caratterizzati da orbite più allungate ed inclinate. Ora sorge una domanda: perché i pianeti ruotano attorno al Sole? Per 2 motivi: per la forza di gravità che il Sole genera sui pianeti e per il principio della “conservazione del momento angolare” formulato dall’astronomo Keplero. Il principio afferma che se non interviene nessuna forza esterna un corpo deve continuare a ruotare in eterno. Questo è proprio quello che è successo al sistema solare all’atto della sua formazione, infatti la nube protoplanetaria era in rotazione e condensandosi nel Sole e nei vari pianeti ha conservato intatto, diviso appunto fra tutti i i pianeti, il suo momento angolare originario. Quindi la gravità e la conservazione del momento angolare rendono il sistema solare stabile. Passiamo ora al moto dei pianeti. La rotazione dei pianeti attorno al Sole è chiamata “moto di rivoluzione”. Ogni corpo del Sistema Solare si muove secondo velocità diverse a seconda della distanza dal Sole, più velocemente quando si trova nei pressi della stella (perielio) e meno velocemente quando si trova nel punto più lontano (afelio). Attenzione però, le stagioni, come le intendiamo sulla Terra, non sono provocate dalla distanza dal Sole ma dall’inclinazione dell’asse del pianeta, lo vedremo più in la. La Terra ad esempio effettua un moto di rivoluzione ogni 365 giorni, Marte che è più lontano dal Sole compie una rivoluzione in 687 giorni a causa della sua orbita più ampia. Vediamo dunque che più ci si allontana dal Sole più l’orbita del pianeta sarà allungata e lenta. Ad esempio Giove che si trova ad una distanza di oltre 778 milioni di chilometri dal Sole percorre un moto di rivoluzione in circa 12 anni, mentre Urano che dista dal Sole addirittura 9 miliardi di chilometri compie un orbita attorno ad esso in 84 anni. I pianeti oltre a orbitare attorno al Sole ruotano anche su se stessi, questo fenomeno è chiamato “moto di rotazione”. La Terra compie una rotazione sul proprio asse ogni 24 ore circa, mentre ad esempio Saturno ci impiega appena 10 ore. Più i pianeti sono grandi e più tendono ad essere schiacciati ai poli; questo perchè ruotano velocemente su se stessi e sono soggetti a una maggiore forza centrifuga, che tende a deformare gli stessi pianeti verso l’esterno.

Le Lune dei pianeti e gli scontri planetari

Abbiamo visto che il sistema solare primitivo era un luogo affollato e violento. Man mano che i planetoidi diventavano più grandi andavano a collidere tra di loro. Vi erano talmente tanti oggetti in orbita, molto vicini tra di loro, che gli scontri erano inevitabili.  Alcuni planetesimi però riuscirono a sfuggire alle collisioni e furono catturati gravitazionalmente dai corpi più grandi, come ad esempio è accaduto alle lune di Marte che sono Phobos e Deimos. Mentre oggetti più massicci come i protopianeti furono attratti dai giganti gassosi, diventarono così le loro “lune” o satelliti. La luna di Saturno chiamata Titano è il più grande satellite del sistema solare, sarebbe potuto diventare un pianeta a tutti gli effetti se non fosse stato catturato dall’orbita di Saturno. Tutti i pianeti, escluso Mercurio e Venere, hanno una o più lune orbitanti intorno, addirittura Giove e Saturno ne contano più di una cinquantina a testa, alcune di esse sono molto piccole, altre più grandi. I bellissimi anelli di Saturno sono i resti di uno dei suoi satelliti che avvicinatosi troppo al pianeta è stato distrutto dalla sua enorme forza di gravità. La nostra Luna invece è il risultato del violentissimo impatto tra la Terra e un protopianeta della dimensioni di Marte, avvenuto subito dopo la nascita del nostro pianeta.

 

Plutone

Scoperto nel 1930, fino a poco tempo fa era il nono pianeta del sistema solare, poi venne “declassato” a pianeta nano nel 1996. Si conosce molto poco di Plutone, la sua superficie è estremamente fredda ed è composta principalmente da ghiaccio d’acqua e da metano. Possiede

un’orbita ellittica molto più accentuata rispetto agli altri pianeti, infatti compie un moto di rivoluzione in 248 anni. Negli ultimi anni è passato relativamente vicino al Sole e ha potuto godere di una breve estate. I ghiacci sulla superficie sono evaporati, producendo una sottile atmosfera. Al momento, sta ritornando nei freddi abissi del sistema solare e questa atmosfera presto si congelerà nuovamente. Plutone è un corpo celeste piuttosto bizzarro, gira su se stesso all’indietro (da est a ovest) e compie un giro completo in 6 giorni e 9 ore. Il suo satellite più grande, Caronte, impiega lo stesso tempo per girare attorno a Plutone. Grazie al telescopio spaziale Hubble sono state recentemente scoperte altre due lune più piccole. E’ stato declassato a pianeta nano perché non raggiunge le dimensioni minime e i parametri orbitali accettati dall’Unione Astronomica Internazionale.

Gli asteroidi

Il sistema solare è molto più complesso del previsto, non ci sono solo pianeti e lune ma anche asteroidi, comete e pianeti nani. Gli asteroidi si trovano in una precisa zona tra Marte e Giove, detta “Fascia degli Asteroidi”. Questi corpi rocciosi sono di diverse dimensioni, alcuni grandi come palle da basket, altri grandi come automobili, altri con un diametro ancora più ampio. All’interno della fascia troviamo due planetoidi molto famosi, si chiamano Cerere e Vesta, il primo è un pianeta nano con un diametro di 1.000 chilometri mentre il secondo è circa la metà. Possiamo definire questa zona come la “discarica” del sistema solare, qui vi sono finiti tutti gli oggetti che non si sono potuti aggregare in pianeti o sono il resto di collisioni planetarie del passato. Lo spessore dalla fascia degli asteroidi non è uniforme, ma si assottiglia ed è molto estesa, tutti gli oggetti all’interno orbitano attorno al Sole proprio come fanno gli altri pianeti.

 

Le comete

Oltre l’orbita di Plutone sono stati individuati oltre 800 oggetti celesti in una zona fredda e remota chiamata “Fascia di Kuiper”. Contiene al suo interno molti corpi ghiacciati, di cui il più grande è il pianeta nano Eris. Ancora non si è in grado di stimare le dimensioni degli oggetti all’interno della fascia data l’enorme distanza dal Sole ma è considerata la zona occupata dalle comete. Le comete sono agglomerati di polveri, roccia e ghiaccio, si sono formate nelle prime fasi di vita del sistema solare e la cui orbita le porta, a intervalli regolari, ad avvicinarsi al Sole provenendo dalle regioni esterne del sistema solare. Molti di questi oggetti assumono periodicamente un aspetto spettacolare, appena la radiazione solare li riscalda a sufficienza, si crea una coda luminosa che è dovuta allo scioglimento della polvere e gas che contengono. Gli astronomi hanno compreso da lungo tempo che queste comete attive dovevano appartenere ad una zona esterna del sistema solare. Talvolta l’orbita di un oggetto della Fascia di Kuiper viene perturbata dalle interazioni dei pianeti giganti in modo tale che va ad attraversare l’orbita di Nettuno. È quindi molto probabile che esso abbia un incontro ravvicinato con Nettuno, cosa che lo può mandare fuori dal sistema solare, oppure verso la zona interna. Tornando alle comete si presume che esse siano le portatrici della vita visto che al loro interno si trovano grandi quantità di acqua ed altri elementi organici sotto forma di ghiaccio. La scoperta è dovuta alla missione di una sonda che nel 1999 ha avuto un “incontro-scontro” ravvicinato con una cometa, analizzando poi il suo materiale si sono trovati diversi elementi tra cui l’acqua e alcune sostanze organiche. In questo periodo si è così sviluppata una teoria (ancora tutta da convalidare) secondo la quale sarebbero le comete a portare la vita sui pianeti, fungerebbero dunque da inseminatori organici. Impattando sui pianeti, le comete potrebbero rilasciare sulla loro superficie acqua e altre sostanze come il carbonio e gli amminoacidi che sono basilari per la vita organica.

Conclusioni

L’argomento “sistema solare” non è ancora terminato. In questo articolo abbiamo visto come si è creato e di cosa è composto ma ci sono talmente tante cose da dire che verranno affrontate negli articoli futuri. Nel prossimo ci soffermeremo sui pianeti rocciosi, quelli interni del sistema solare, poi toccherà ai giganti gassosi. A presto.

 

Marco Alemanno

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