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New Frontiers in Modeling Planet-Disk Interactions: from Disk Thermodynamics to Multi-Planet Systems

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I dischi di polvere fungono da vivaio per i pianeti nascenti

Guardando in alto verso la magica volta stellata, in una notte chiara, ciò che non si può vedere è la moltitudine di stelle che nutrono la crescita di nuovi pianeti e sistemi planetari. I ricercatori di un progetto finanziato dall’UE hanno gettato nuova luce sul ruolo svolto dalla polvere interstellare nel modellare tale processo.

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I dischi protoplanetari sono dischi di polvere e gas appiattiti e rotanti trovati attorno a quasi tutte le stelle di massa ridotta poco dopo la loro nascita. Nonostante le particelle di polvere siano un costituente relativamente minore, si tratta della materia grezza da cui sono composti i pianeti. Pertanto, capire il loro ruolo nella formazione di un pianeta è cruciale. Un gruppo di scienziati finanziato dall’UE, che lavora sul progetto DiskTorqueOnPlanets, comincia a svelare il ruolo, in larga misura sconosciuto, svolto dalla polvere interstellare nel definire l’architettura dei sistemi planetari così come li osserviamo oggi.

Interazioni tra la massa delle polveri e i pianeti in formazione

Come illustra il coordinatore del progetto, Martin Pessah: «Uno dei processi che può svolgere un ruolo importante è la cosiddetta migrazione planetaria, dovuta all’interazione gravitazionale reciproca tra il pianeta e il disco, che accelera il pianeta e lo fa muovere». Intrapreso grazie al sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, DiskTorqueOnPlanets si è proposto di caratterizzare il meccanismo coinvolto nel determinare velocità e direzione di tale migrazione, rivolgendo l’attenzione alla polvere nel disco protoplanetario.

Le proprietà della polvere contano

La simulazione delle dinamiche della polvere richiede una grande potenza di calcolo per modelli dettagliati. Per raggiungere questo risultato, il team ha sfruttato la potenza delle unità di elaborazione grafica disponibili presso il Centro di calcolo ad alte prestazioni dell’Università di Copenaghen. Il codice numerico all’avanguardia, e disponibile al pubblico, FARGO3D sviluppato dal borsista Pablo Benítez-Llambay è stato esteso in modo peculiare nell’ambito del progetto per affrontare problemi impegnativi nelle dinamiche dei dischi di polvere. Un risultato chiave è stato un algoritmo numerico solido per contabilizzare la resistenza prodotta tra le particelle di gas e polvere in un disco protoplanetario. Secondo Pessah: «Gli strumenti sviluppati in questo progetto ci hanno permesso non solo di scoprire e sistematicamente studiare per la prima volta forze gravitazionali che derivano dall’integrazione delle componenti di polvere in dischi protoplanetari, ma anche di espandere la nostra ricerca ad altre domande fondamentali collegate alla crescita e alle dinamiche della polvere all’interno di questi dischi». I membri del progetto hanno dimostrato con successo che le dinamiche polvere-particelle sono principalmente influenzate dal grado di accoppiamento tra le particelle di polvere e il gas all’interno del disco, e ciò dipende dalle dimensioni delle particelle. «Abbiamo mostrato che le dinamiche di polveri autoconsistenti che includono particelle di diverse dimensioni sembrano essere cruciali non solo per capire in che modo i pianeti si formano, ma anche come si muovono all’interno del disco», spiega Pessah.

Pronto a supportare osservazioni pionieristiche

L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è il risultato di una collaborazione internazionale tra istituzioni riunite nel tentativo di comprendere le nostre origini cosmiche. Si tratta dell’osservatorio astronomico più potente mai costruito sulla Terra. ALMA ha consentito l’imaging diretto di dettagli mai visti prima sulla formazione dei pianeti. Gli strumenti di DiskTorqueOnPlanets aiuteranno gli scienziati a raccogliere questi dati rivoluzionari, dare loro un senso e cominciare a svelare i processi che modellano i sistemi planetari. In sintesi, Pessah afferma: «Abbiamo costruito un quadro volto a risolvere le dinamiche delle polveri per un numero arbitrario di specie di polveri nelle simulazioni numeriche, aprendo la porta allo studio di un’ampia gamma di processi critici per la nostra comprensione su formazione ed evoluzione dei pianeti. Rendendo gli strumenti disponibili al pubblico, tale progetto supporta lo sforzo scientifico globale di spiegare la storia e l’evoluzione sia del nostro sistema solare che dei sistemi esoplanetari in tutto l’universo».

Parole chiave

DiskTorqueOnPlanets, polvere, disco, pianeta, dinamiche della polvere, protoplanetario, strumenti, stelle, migrazione, formazione dei pianeti, ALMA, evoluzione, FARGO3D

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